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安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论轻有色金属铝冶金学安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论在有色金属之中，轻金属发展较晚，十八世纪末被陆续发展后，十九世纪初才得以分离为单独的金属本世纪才开始工业生产。然而轻金属的生产迅速，铝的产量在1956年超过了铜，跃居有色金属之首，成为产量仅次于钢铁的金属。安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论轻金属元素的性质比重小，还与它们的物理化学性质和冶炼技术有许多共同的特点有关：①与氧、卤族元素、硫和碳的化合物都非常稳定，②在电化次序表上，都是负电性很强的元素。不能用碳直接还原其氧化物来制取金属。轻金属的冶炼方法：熔盐电解法金属热还原法安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论在轻金属中最重要和最有代表性的是铝和镁。地壳中含量最多的金属元素是；Al安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论第一节绪论1.1铝冶金的历史19世纪初，法国皇帝拿破仑三世，为显示自己的富有和尊贵，命令官员给自己制造一顶比黄金更名贵的王冠——铝王冠。在举行宴会时，只有他使用一套铝质餐具，其他人只能用银制餐具。即使在化学界，铝也被看成最贵重的。英国皇家学会为了表彰门捷列夫对化学的杰出贡献，不惜重金制作了一只铝杯，赠送给门捷列夫。安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论3Na+AlCl3（熔融）3NaCl+Al一定条件1886年，美国霍尔和法国埃鲁用电解法冶炼得到铝2Al2O3（熔融）4Al+3O2↑通电法国的德维尔于1854年制得铝氧化铝的熔点（2054℃）很高，直接加热使其溶化需要消耗很大的能量。霍尔和埃鲁最重要的突破是找到了助熔剂冰晶石(Na3AlF6)，使氧化铝熔融温度降低，减低了能耗，大大降低了生产铝的成本。电解铝方法的发明德国的沃勒于1827年发现铝安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论铝冶金发展概况有关铝的文字记录最早出现于公元一世纪罗马作家盖斯·普利纽斯（GaiusPlinius）的论文集。但是，铝的问世应是1825年。至今虽然为时不长，但铝冶金发展较快。1746年Pott从明矾制取了纯的氧化铝（Alumina）1825年丹麦化学家奥斯特(Orested)用钾汞还原无水氯化铝，得到一种灰色的金属粉末，在研磨时呈现金属光泽，但当时未能加以鉴定。安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论1827年德国化学家韦勒（F.Wohler）先用钾汞齐，后来用钾还原无水氯化铝制得少量细微的金属颗粒，1845年，他把氯化铝气体通过熔融的金属钾表面，得到金属铝珠，并测定了铝的密度和部分性质1854年法国的一位小学教师戴维尔(H.S.Deville)用钠还原NaCl·AlCl3混合盐也得到金属铝，并在法国进行小规模生产。随后罗西和别凯托夫分别用钠和镁还原冰晶石炼铝成功，并用此方法建厂炼铝。应用化学法炼出的金属铝总共约200吨。安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论1854年法国的德维尔Deville和德国人本生Bunsen各自独立使用炭电极在陶瓷容器内电解NaAlCl4制得了少量铝，直到1876年，这种方法才得以实现。安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论1886年美国霍尔（Hall）和法国埃鲁特（Heroult）不约而同地提出了利用冰晶石-氧化铝熔盐电解法炼铝的专利，开创了电解法炼铝阶段。Hall认为氧化铝是炼铝的适当原料，唯一的问题是要寻找一种适宜的熔剂，因为氧化铝的熔点很高。所以他系统地研究了各种熔剂，进行试验，一直到冰晶石为止。而埃鲁特则相反，自从电解纯冰晶石熔液得到铝之后，为了寻找炼铝原料他先添加了NaCl-AlCl3络合盐，但由于NaCl-AlCl3易水解，故改用氧化铝。安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论1888年美国匹兹堡电解厂开始用冰晶石-氧化铝熔盐电解法炼铝。瑞士冶炼公司也在同时采用该法炼铝。以后，其他各国也相续采用电解法炼铝，法国于1889年，英国1890年，德国1898年，奥地利1899年，挪威1906年，意大利1907年，西班牙1927年，前苏联1931年，中国1938年。与化学法炼铝相比，电解法成本较低，而且产品质量好。安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论1.2现代铝工业辅助环节：炭素电极制造氟盐生产从铝土矿提取纯氧化铝用冰晶石-氧化铝熔盐电解法生产金属铝铝加工三个主要生产环节安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论铝土矿生产氧化铝纯氧化铝电解制铝原铝精炼1.拜耳法2.烧结法3.拜耳－烧结联合法铝的生产方法精铝安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论1.3铝的性质和用途物理性质•银白色•比重小:2.7g/cm3•导电性好:26~35(10-4·–1·cm-1)•导热性好:~0.50(cal/cm·S·K)•良好的延展性和其合金的高比強度•抗腐蚀性•易着色•.........................安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论导电性很好，仅次于银、铜；可以做电线、电缆铝的用途安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论铝的用途——延展性很好，做成铝箔可以用在食品工业安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论——热的良导体:导热能力比铁大三倍，可以做炊具以及各种热交换器。铝的用途安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论铝的用途——制铝合金，硬铝:含铝、镁、铜、锰、硅广泛应用于飞机、汽车、船舶等制造业，窗门框等建筑业。安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论铝的用途京广铁路的焊接现场——焊接铁轨（铝热剂）安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论化学性质铝的原子结构8+1323铝容易失去最外层3个电子，成为带3个单位正电荷的铝离子。因此铝的还原性很强。（1）跟非金属反应跟氧气反应在空气中,生成致密而坚固的氧化铝薄膜在纯氧中加热或在空气里高温下能与氧气激烈反应,发生燃烧4Al＋3O2==2Al2O3安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论铝也能与硫、卤素等起反应。2Al＋3SAl2S32Al＋3Cl22AlCl3安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论（2）跟酸反应a.与非氧化性酸反应：2Al3+＋6H＋→2Al3＋＋3H2↑b.与强氧化性酸反应：常温钝化。因此，可以用铝制的容器来装运浓硫酸或浓硝酸。2Al＋6H2SO4(浓)Al2(SO4)3＋3SO2↑＋6H2OAl＋6HNO3(浓)Al(NO3)3＋3NO2↑＋3H2O加热加热安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论（3）与水反应铝能与沸水反应，带膜的铝不与水反应。2Al＋6H2O2Al(OH)3＋3H2↑安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论（4）跟强碱溶液反应生成氢气和偏铝酸盐。2Al＋2NaOH＋2H2O→2NaAlO2＋3H2↑铝制容器不能用来盛放烧碱溶液。（5）跟某些金属氧化物反应此反应叫铝热反应，可产生2000℃以上的高温。工业上应用这个反应焊接钢轨。与氧化铁反应铝热剂：铝粉与金属氧化物的混合物（铝和氧化铁的混合物是最常用的铝热剂）铝热剂法：用加热铝粉和金属氧化物的混合物还原金属的方法。2Al＋Fe2O3→2Fe＋Al2O3＋热高温铝除了能与氧化铁反应，还原出铁外，还能与五氧化二钒、氧化铬、二氧化锰等金属氧化物发生类似反应，如：2Al＋Cr2O3==2Cr＋Al2O3＋热，并放出大量的热，使被还原的金属在较高的温度下，呈熔融状态并跟形成的炉渣分离，从而获得较纯的金属。安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论单元问题现代铝工业的三个主要生产环节安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论第二讲氧化铝的生产概述氧化铝是铝冶炼的主要原料，每生产1吨原铝需要消耗近2吨氧化铝。此外，各种特殊性能的氧化铝也广泛应用于电子、石油、化工、耐火材料、陶瓷、造纸、制药等行业，因此，氧化铝生产在我国经济建设中占有十分重要的地位。安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论2.1.氧化铝及其水合物氧化铝外观为白色粉末，结晶状态为六方晶体结构，分子式通常写为Al2O3，分子量为101.96。氧化铝是典型的两性氧化物，不溶于水，可溶于无机酸和碱性溶液，由于其结晶形式不同，在酸、碱溶液中的溶解度及溶解速度也不同。安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论氧化铝水合物是铝土矿中的主要矿物。氧化铝水合物实际上是由OH-、O2-、Al3+构成的，其中并不存在水分子。主要有三水铝石、一水软铝石、一水硬铝石和刚玉。其分子式为：三水铝石：Al（OH）3一水软铝石：γ-AlOOH一水硬铝石：α-AlOOH刚玉：Al2O3氧化铝水合物的化学性质也由于其结构不同而有很大差别。化学活性按下列次序递减：三水铝石化学活性最大、一水软铝石次之、一水硬铝石较弱、刚玉则是非常稳定的氧化铝。安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论2.2氧化铝生产方法氧化铝是两性氧化物，故它既可以用碱性溶液也可以用酸性溶液使得铝土矿中的氧化铝溶出。碱法：拜耳法、碱石灰烧结法和拜耳-烧结联合法等。酸法、酸碱联合法、热法安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论碱法生产氧化铝，就是用碱(NaOH或Na2CO3)处理铝土矿，使矿石中的氧化铝水合物和碱反应生成铝酸钠溶液。铝土矿中的铁、钛等杂质和绝大部分的二氧化硅则成为不溶性的化合物进入固体残渣中。这种残渣被称为赤泥。铝酸钠溶液与赤泥分离后，经净化处理，分解析出A1(OH)3，将A1(OH)3与碱液分离并经过洗涤和焙烧后，即获得产品氧化铝。目前工业上几乎全部采用碱法生产氧化铝。碱法生产氧化铝安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论酸法生产氧化铝就是用硫酸、盐酸、硝酸等无机酸处理铝矿石，得到含铝盐溶液，然后用碱中和这些盐溶液，使铝成氢氧化铝析出，焙烧氢氧化铝或各种铝盐的水合物晶体，便得到氧化铝。酸法生产氧化铝安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论用酸法处理铝矿石时，存在于矿石中的铁、钛、钒、铬等杂质与酸作用进入溶液中，这不但引起酸的消耗，而且它们与铝盐分离比较困难。氧化硅绝大部分成为不溶物进入残渣与铝盐分离，但有少量成为硅胶进入溶液，所以铝盐溶液还需要脱硅，而且需要昂贵的耐酸设备。用酸法处理分布很广的高硅低铝矿(如粘土、高岭土、煤矸石和煤灰)在原则上是合理的，在铝土矿资源缺乏的情况下可以采用此法。安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论酸碱联合法是先用酸法从高硅铝矿石中制取含铁、钛等杂质的不纯氢氧化铝，然后再用碱法处理。这一流程的实质是用酸法除硅，碱法除铁。酸碱联合法生产氧化铝安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论热法适合于处理高硅高铁的铝矿，其实质是在电炉中熔炼铝矿石和碳的混合物，使矿石中的氧化铁、氧化硅、氧化钛等杂质还原，形成硅合金。而氧化铝则呈熔融状态的炉渣而上浮，由于密度不同而分离，所得氧化铝渣再用碱法处理从中提取氧化铝。热法生产氧化铝安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论2.3铝土矿铝土矿组成铝土矿是一种以氧化铝水合物为主要成分的复杂铝硅酸盐矿石，铝土矿的主要化学成分有：Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2，少量的CaO、MgO硫化物、微量的镓、钒、磷、铬等元素的化合物。安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论铝土矿分类铝土矿中Al2O3含量大致为50%～70%，其矿物成分有三水铝石Al(OH)3、一水软铝石γ－AlOOH和一水硬铝石α－AlOOH。铝土矿按其含有的氧化铝水合物的类型可分为：三水铝石型铝土矿；一水软铝石型铝土矿；一水硬铝石型铝土矿；混合型铝土矿。安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论我国铝土矿除了分布集中外，以大、中型矿床居多。储量大于2000万t的大型矿床共有31个，其拥有的储量占全国总储量的49%；储量在2000～500万t之间的中型矿床共有83个，其拥有的储量占全国总储量的37%，大、中型矿床合计占到了86%。安徽工业大学•冶金与资源学院有色金属冶金概论铝土矿中SiO2主要以高岭石Al2O3·2SiO2·2H2O等硅酸盐矿物存在，有的含少