有色金属冶金.ppt

第一篇第一篇 轻金属冶金学金属冶金学1 1 铝冶金冶金1.1 1.1 概述概述1.1.1 1.1.1 铝冶金的冶金的历史史铝在自然界中的分布在自然界中的分布地壳中地壳中铝8%8%，仅次于氧和硅，次于氧和硅，在金属元素中，在金属元素中，铝居首位。居首位。1.（1 1）汉代本草代本草经 （2 2）明代天工开物）明代天工开物AluminumAluminum由来由来 Pott,Marggraf,Morveau,DavyPott,Marggraf,Morveau,Davy化学法制取化学法制取铝 1825 1825 Oersted Oersted 丹麦丹麦 钾汞汞还原无水原无水氯化化铝 1827 Wohler 1827 Wohler 德国德国 钾还原无水原无水氯化化铝 1854 Deville 1854 Deville 法国法国 钠还原原NaCl-AlClNaCl-AlCl3 3 1865 Bektob 1865 Bektob 俄国俄国 镁还原冰晶石原冰晶石 2.电解法解法炼铝 1886 1886年美国年美国HallHall法国法国HeroultHeroult申申请专利：利：方法不同，方法不同，结果一果一样 HallHall-HeroultHeroult法，即冰晶石法，即冰晶石-氧化氧化铝法法 法国：法国：1889 1889 挪挪 威：威：19061906 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 前前苏联：19311931 中国：中国：19381938 3.1.1.2 1.1.2 现代代铝工工业 全世界原全世界原铝产量量 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、俄美国、中国、加拿大、俄罗斯斯 4.用用电解法或其它方法直接生解法或其它方法直接生产出来的出来的纯铝称称为原原铝，现代代还生生产精精铝、高、高纯铝及多种及多种铝基合金基合金 现代代铝工工业三个主要生三个主要生产环节：（1 1）从）从铝土土矿提取提取纯氧化氧化铝 （2 2）用冰晶石）用冰晶石-氧化氧化铝熔熔盐电解法生解法生产铝 （3 3）铝加工加工辅助助环节：（1 1）炭素）炭素电极制造极制造 （2 2）氟）氟盐生生产5.现代代铝工工业生生产流程流程简图6.铝电解原理：解原理：现代代铝工工业生生产，主要采用冰晶石，主要采用冰晶石-氧化氧化铝熔熔盐电解法，其中氧化解法，其中氧化铝是是炼铝的原的原料，冰晶石是熔料，冰晶石是熔剂。直流。直流电通入通入电解槽，解槽，在阴极和阳极上在阴极和阳极上发生生电化学反化学反应。电解解产物，阴极上是液体物，阴极上是液体铝，阳极上是气体，阳极上是气体COCO2 2（7580%7580%）和和COCO（2025%2025%）。）。在工在工业电解槽内，解槽内，电解解质通常由通常由质量分数量分数为95%95%的冰晶石和的冰晶石和5%5%的氧化的氧化铝组成，成，电解温度解温度为950970950970。电解液的密度解液的密度约为7.2.12.1g/cmg/cm3 3，铝液密度液密度为2.3 2.3 g/cmg/cm3 3，两者因密度差而上下分两者因密度差而上下分层。铝液用液用真空抬包抽出后，真空抬包抽出后，经过净化和化和过滤，浇铸成商品成商品铝锭，纯度达度达99.5 99.5 99.8%99.8%。阳极气体中。阳极气体中还含有少量有害含有少量有害的氟化物、的氟化物、沥青烟气和二氧化硫。青烟气和二氧化硫。经过净化后，化后，废气排入大气，收回气排入大气，收回的氟化物返回的氟化物返回电解槽内解槽内继续使用。使用。8.1.1.3 1.1.3 铝的性的性质和用途和用途 铝是元素周期表上第三周期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，相对原子量原子量26.9815426.98154。1.1.3.1 1.1.3.1 铝的物理性的物理性质铝是是轻金属，具有金属，具有银白色的金属光白色的金属光泽熔点低熔点低 99.996%99.996%铝熔点熔点为933933K K(660)(660)9.沸点高沸点高 2467 2467密度小密度小 2.69662.6988 2.69662.6988g/cmg/cm3 3电阻率小阻率小(2.82.85)10(2.82.85)10-8-8 m m铝具有良好的具有良好的导热能力能力 在在2020，铝的的热导率率为2.12.1W/(cm W/(cm)铝具有良好的反射光的能力，具有良好的反射光的能力，特特别对于波于波长为0.2120.212m m的光的光线铝没有磁性，不没有磁性，不产生附加的磁生附加的磁场，在精密在精密仪器中不会起干器中不会起干扰作用作用10.铝易于加工易于加工铝的再生利用率高的再生利用率高铝可以同多种金属构成合金可以同多种金属构成合金1.1.3.2 1.1.3.2 铝的化学性的化学性质铝同氧反同氧反应，生成，生成AlAl2 2O O3 3 氧化氧化铝的生成的生成热为-31-31KJ/g AlKJ/g Al铝在高温下能在高温下能够还原其他金属氧化物原其他金属氧化物 2 2Al+3MeO=AlAl+3MeO=Al2 2O O3 3+3Me +3Me 11.在在800800以上温度，以上温度，铝同三价同三价卤化物化物（如（如AlFAlF3 3）起反起反应生成一价生成一价铝的的卤化化物，在冷却物，在冷却时一价一价铝的的卤化物分解化物分解出常价出常价铝的的卤化物和化物和铝 2 2Al+AlFAl+AlF3 3=3AlF=3AlF铝易同稀酸起反易同稀酸起反应，又易被苛性碱，又易被苛性碱溶液侵溶液侵蚀，生成，生成氢气和可溶性气和可溶性盐铝不与碳不与碳氢化合物起反化合物起反应铝的保的保护剂12.1.1.3.3 1.1.3.3 铝与人体健康的关系与人体健康的关系人体人体摄入少量的入少量的铝对健康无健康无损害害维生素生素C C的的损失失少量的少量的铝溶解在含有机酸的蔬菜中溶解在含有机酸的蔬菜中,如西如西红柿柿要禁忌要禁忌过量的量的铝铝制品制品应用用 酸或碱食物，可用来酸或碱食物，可用来烧煮米煮米饭、稀粥、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能对抗抗铅的某些毒性的某些毒性13.1.1.3.4 1.1.3.4 铝合金的种合金的种类铸造造铝合金合金加工用加工用铝合金合金 自学内容自学内容:何何为铸造造铝合金合金?加工用加工用铝合金合金?1.1.3.5 1.1.3.5 铝的用途的用途传统用途用途铝在交通运在交通运输业上的上的应用用铝在航空工在航空工业上的上的应用用铝在冶金工在冶金工业上的上的应用用14.铝在在农业上的上的应用用铝合金能源合金能源1.1.4 1.1.4 铝矿（1 1）铝土土矿（Bauxite)Bauxite)铝土土矿是含是含铝矿物和赤物和赤铁矿、针铁矿、高、高岭石、岭石、锐铁矿、金、金红石、石、钛铁矿等等矿物物的混合的混合矿，是，是现代代炼铝的原料。的原料。15.铝土土矿的化学成分的化学成分质量分数和主要量分数和主要矿物成分物成分 化学成分化学成分质量分数量分数 矿物物 三水三水铝石石 AlAl2 2O O3 333H H2 2O O AlAl2 2O O3 3 4060%4060%一水一水软铝石石AlAl2 2O O3 3H H2 2O O一水硬一水硬铝石石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%330%赤赤铁矿FeFe2 2O O3 3 针铁矿FeFe2 2O O3 3 H H2 2O O TiOTiO2 20.58%0.58%锐铁矿 金金红石石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16.铝土土矿类型型三水三水铝石石一水一水软铝石石一水硬一水硬铝石石组成成Al2O33H2O Al2O3H2OAl2O3H2O最高最高Al2O3%65.485.085.0晶系晶系单斜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17.世界世界铝土土矿的主要的主要类型是三水型是三水铝石石型，其次是一水型，其次是一水软铝石型和一水硬石型和一水硬铝石型。石型。铝土土矿的的储量量 全世界全世界为245亿吨，可吨，可满足今后足今后150年需年需要，要，80%集中在几内集中在几内亚、澳大利、澳大利亚、巴、巴西、加勒比海地区、印度、印度尼西西、加勒比海地区、印度、印度尼西亚和和东欧等欧等处于于热带和和亚热带的国家和地的国家和地区，多数区，多数为三水三水铝石型。石型。中国的中国的铝土土矿资源丰富，分布甚广，主源丰富，分布甚广，主要在山西、河南、要在山西、河南、贵州、广西和山州、广西和山东。18.我国我国铝土土矿的特点高硅、高的特点高硅、高铝和低和低铁，为一水硬一水硬铝石型，石型，矿石中石中m(Al2O3)/m(SiO2)（简称称铝硅比）在硅比）在47之之间。福。福建、河南和广西有少量的三水建、河南和广西有少量的三水铝石型石型铝土土矿。铝土土矿的可溶性的可溶性 碱液溶出：三水碱液溶出：三水铝石型、一水石型、一水软铝石型、石型、一水硬一水硬铝石型。石型。铝土土矿质量量评价价标准：准：A、矿石石类型型 B、矿石中可溶性氧化石中可溶性氧化铝含量含量19.可溶性氧化可溶性氧化铝含量是由氧化含量是由氧化铝总量减去量减去由氧化硅生成由氧化硅生成羟基方基方钠石化合物所石化合物所损失失的氧化的氧化铝量。量。（2）红柱石、霞石柱石、霞石 红柱石、硅柱石、硅线石和石和蓝晶石：晶石：Al2O3SiO2 霞石霞石:(Na,K)2O Al2O3SiO2 （3）长石和高岭石石和高岭石 （4）明）明矾石石矿20.1.2 从从铝土土矿提取氧化提取氧化铝从从铝土土矿中提取中提取铝的的简要生要生产流程流程 见图 从从铝土土矿中提取氧化中提取氧化铝的方法的方法 拜耳法、碱石灰拜耳法、碱石灰烧结法、拜耳法、拜耳-烧结联 合法合法 拜耳法生拜耳法生产氧化氧化铝占世界占世界95%，主要采，主要采用三水用三水铝石型石型铝土土矿21.22.1.2.1 拜耳法拜耳法 1887年年发明明,奥地利化学家奥地利化学家 (1)拜耳法原理拜耳法原理:用苛性用苛性钠溶液溶液(其其质量量浓 度度为130 350gNa2O/L)在加在加热的条件下将的条件下将 铝土土矿中的各种氧化中的各种氧化铝水合物溶解出来，生水合物溶解出来，生 成成铝酸酸钠溶液，此种溶液溶液，此种溶液经稀稀释后在冷却的条后在冷却的条件下分解出件下分解出纯的的氢氧化氧化铝，同，同时重新生成苛性重新生成苛性钠溶液，供循溶液，供循环使用。使用。（2）拜耳法流程）拜耳法流程23.24.拜耳法流程包括三个主要步拜耳法流程包括三个主要步骤：铝土土矿溶出；溶出；铝酸酸钠溶液分解；溶液分解；氢氧氧化化铝煅煅烧。溶出：指把溶出：指把铝土土矿中的氧化中的氧化铝水合水合物（物（Al2O3xH2O)溶解在苛性溶解在苛性钠（NaOH)中，生成中，生成铝酸酸钠溶液。溶液。Al2O3xH2O+2 NaOH=2NaAlO2+(x+1)H2O Al(OH)3+NaOH=NaAl(OH)4 AlOOH+NaOH+H2O=NaAl(OH)425.析出固体析出固体氢氧化氧化铝 2NaAlO2+4H2O=2NaOH+Al2O3xH2O (添加晶种添加晶种 Al2O33H2O）煅煅烧 Al2O33H2O=Al2O3+3H2O （高温（高温1100）(3)铝土土矿的溶出率的溶出率赤泥：在赤泥：在铝土土矿溶出溶出过程中，程中，铝土土矿中的不溶物中的不溶物残渣，残渣，经沉降分离和洗沉降分离和洗涤过滤后排除，此种残渣后排除，此种残渣称称为赤泥，数量巨大。而在赤泥，数量巨大。而在铝土土矿溶出溶出过程中，程中，赤赤铁矿实际上也不溶于苛性上也不溶于苛性钠溶液中，全部溶液中，全部进入入沉淀中，成沉淀中，成为赤泥的重要赤泥的重要组成部分。由于赤成部分。由于赤铁矿呈呈红色，沉淀物也呈色，沉淀物也呈红色，故得名。色，故得名。26.铝土土矿的溶出工的溶出工艺参数参数 三水三水铝石型石型矿石：石：140160，100 130 g/LNa2O;一水一水软铝石型石型矿石：石：230 250，180 240g/LNa2O;一水硬一水硬铝石型石型矿石：石：240 280，180 250g/LNa2O，必必须添加石灰。添加石灰。铝酸酸钠溶液溶液 铝酸酸钠溶液中的溶液中的Na2O和和Al2O3的比的比值，来表示溶液中氧化来表示溶液中氧化铝的的饱和程度。和程度。27.两种表示方法：两种表示方法：A、采用物采用物质的量比的量比n(Na2O)/n(Al2O3),其中的其中的Na2O是按苛性碱是按苛性碱NaOH浓度度计算，叫苛性比，符号算，叫苛性比，符号 K。中国与俄中国与俄罗斯斯 B、采用物采用物质的的质量比量比m(Na2O)/m(Al2O3),符号符号为A/C，其中的其中的Na2O按当按当量量Na2CO3计算。美国算。美国 铝土土矿的配入量按所溶出溶液苛性比的配入量按所溶出溶液苛性比1.51.7计算算,循循环苛性碱液的苛性比苛性碱液的苛性比3.13.4.28.铝土土矿的溶出率的溶出率计算公式算公式 铝土土矿中的含硅中的含硅矿物在苛性碱溶液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，生成硅酸以下，生成硅酸钠：SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O 此硅酸此硅酸钠与与铝酸酸钠溶液起反溶液起反应生成生成含水含水铝硅酸硅酸钠沉淀。沉淀。在高在高压溶出的条件下，溶出的条件下，进入赤泥中入赤泥中的含水的含水铝硅酸硅酸钠的的组成大致相当于成大致相当于29.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要要结合合1kg的的Al2O3和和0.6kg的的Na2O。因因此，此，铝土土矿中氧化中氧化铝的理的理论溶出率：溶出率：n=w(Al2O3)w(SiO2)/w(Al2O3)100%=A/S 1/A/S 100%式中式中A/S为铝土土矿的的铝硅比（硅比（质量量 比）比）30.1.2.2 拜耳拜耳-烧结联合法合法 特点：用于特点：用于处理氧化理氧化铝与氧化硅与氧化硅质量比量比为57的中等品位的中等品位铝土土矿，其特，其特点是用点是用烧结法系法系统所得的所得的铝酸酸钠溶溶液来液来补充拜耳法系充拜耳法系统中碱中碱损失。失。形式：串形式：串联（美国、前（美国、前苏联）、）、并并联（前（前苏联）、混）、混联（中国）（中国）（1）串）串联 先用拜耳法先用拜耳法处理中等品位理中等品位铝土土矿，然后用然后用烧结法法处理拜耳法中留下来理拜耳法中留下来的赤泥中的氧化的赤泥中的氧化铝。31.用拜耳法用拜耳法处理含氧化硅理含氧化硅较高的中等高的中等品位的品位的铝土土矿时，会有，会有较多的氧化多的氧化铝和碱和碱损失于赤泥中，如果将拜耳失于赤泥中，如果将拜耳法赤泥配入所需碳酸法赤泥配入所需碳酸钠和碱石灰后和碱石灰后再再进行行烧结处理，就可以以理，就可以以铝酸酸钠的形式回收其中的氧化的形式回收其中的氧化铝和碱，并和碱，并把回收的把回收的铝酸酸钠溶液并入拜耳法系溶液并入拜耳法系统，这就可以降低碱耗，提高氧化就可以降低碱耗，提高氧化铝的的总回收率，并用回收率，并用纯碱来碱来补充拜充拜耳法系耳法系统的苛性的苛性钠损失。（失。（1931年年前前苏联发明）明）32.（2）并）并联法法 以拜耳法以拜耳法处理高品位的理高品位的铝土土矿，同，同时以以烧结法法处理低品位的理低品位的铝土土矿的氧的氧化化铝生生产方法。方法。（3）混）混联法法 先用拜耳法先用拜耳法处理高品位理高品位铝土土矿，然后，然后用拜而法赤泥加低品位用拜而法赤泥加低品位铝土土矿共同共同烧结的氧化的氧化铝生生产方法。方法。33.混混联法法实际上相当于一个串上相当于一个串联厂与一个厂与一个烧结厂同厂同时生生产，见工工艺流程流程图。由于在。由于在处理底理底铁铝土土矿时，拜耳法赤泥，拜耳法赤泥烧结配入的配入的纯碱量不足以碱量不足以补充拜耳法系充拜耳法系统的碱的碱损失，失，于是采用拜耳法赤泥加入低品位于是采用拜耳法赤泥加入低品位铝土土矿共共同同烧结的方法来的方法来扩大碱的来源。大碱的来源。烧结法系法系统所所产的的铝酸酸钠溶液除溶液除补充拜耳法系充拜耳法系统的的碱耗外，多余的部分通碱耗外，多余的部分通过碳化分解碳化分解产出出氢氧化氧化铝。缺点：流程缺点：流程长、设备繁多、控制复繁多、控制复杂、能耗高。能耗高。国内新方法：国内新方法：选矿 拜耳法；国外：拜耳拜耳法；国外：拜耳 水水热联合法、拜耳合法、拜耳 高高压水化学水化学联合法合法 34.35.1.2.3 酸法酸法 生生产氧化氧化铝的方法分的方法分为碱法碱法(如拜耳法、如拜耳法、拜耳拜耳烧结联合法）、酸法和合法）、酸法和电热法。工法。工业应用的只有碱法。用的只有碱法。用各种无机酸（硫酸、用各种无机酸（硫酸、盐酸、硝酸）酸、硝酸）处理含理含铝原料原料时，原料中的氧化硅基本上，原料中的氧化硅基本上不与酸起反不与酸起反应而残留在渣中。得到的含而残留在渣中。得到的含铁铝盐酸性水溶液酸性水溶液经除除铁净化后，可通化后，可通过不同的方法得到不同的方法得到铝盐水合物水合物结晶或晶或氢氧化氧化铝结晶，煅晶，煅烧这些些结晶得到氧化晶得到氧化铝。酸法分酸法分为硫酸法和硫酸法和盐酸法。酸法。设备腐腐蚀、能耗高，尚未工能耗高，尚未工业应用。用。电热法也尚未工法也尚未工业应用。用。36.1.2.4 1.2.4 炼铝用氧化用氧化铝的的质量量要求：要求：纯度高、度高、-氧化氧化铝含量低、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，并且比表面面积大于大于5050m m2 2/g/g。主要主要杂质：氧化：氧化钠、氧化、氧化钙、氧化、氧化硅、氧化硅、氧化钛、铁、磷、磷、钒、硅等。、硅等。粒度要求：限制大于粒度要求：限制大于200 200 m m和小于和小于44 44 m m的比例。的比例。37.典型的氧化典型的氧化铝的化学的化学组成（成（质量分数）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.表面表面积/m2g-1:25 容容积密度密度/kgdm-3:0.951.05 密度密度/gcm-3:细粒百分含量粒百分含量/%（-44目）：目）：15 粗粒百分含量粗粒百分含量/%（+150目）：目）：338.-氧化氧化铝/%：安息角安息角/：321.2.5 粉状和砂状氧化粉状和砂状氧化铝粉状和砂状氧化粉状和砂状氧化铝对比比:粉状粉状 砂状砂状-氧化氧化铝/%:7590 515比表面比表面积/m2g-1:5 3080安息角安息角/:40 3034灼减灼减/%:0.2 0.83.0-42 m m的的质量分数量分数/%:/%:2030 42039.