有色金属冶金期末考复习总结材料

1第一章氧化铝生产1．有色金属的分类？轻金属重金属稀有金属贵金属轻金属（lightmetals)：密度小于5.0,很高的化学活性，还原电位小于零用熔盐电解、金属热还原法来提取。铝、镁、钠、钾、钙、锶、钡重金属(heavymetals)：密度大于5.0，化学活性较低用火法冶金或湿法冶金方法来提取铜、镍、钴、铅、锌、锡、锑、汞、镉、铋等10种常用有色金属因产量大，用途广，价格低，称为常用有色金属或贱金属。Al、Cu、ZnPb、Ni、Mg、Sn、Sb、Ti、Hg贵金属(preciousmetals)：由于化学活性低，又称惰性金属。金(Au)、银(Ag)和铂族金属（Pt、Pd、Rh、Ir、Os、Ru)。稀有金属(raremetals)：是一种习惯称呼，是沿用至今的一个历史名词；或在地壳中丰度小，天然资源少；或虽丰度大，赋存分散，经济提取难；或性质接近难分离成单一金属；或开发较晚，过去使用的较少稀有金属按元素物理化学性质、赋存状态，生产工艺以及其他一些特征，分为稀有轻金属、稀有高熔点金属、稀有分散性金属、稀土金属和稀有放射性金属。2.冶金方法，主要的有色金属冶金方法有：火法冶金、湿法冶金、电冶金火法冶金：在高温下矿石或精矿经熔炼与精炼反应及熔化作业，使其中的有色金属与脉石和杂质分开，获得较纯有色金属的过程。包括原料准备、熔炼和精炼三个主要工序。过程所需能源主要靠燃料燃烧供给，也有依靠过程中的化学反应热来提供。湿法冶金：它是在常温（或低于100℃）常压或高温（100-300℃）高压下，用溶剂处理矿石或精矿，使所要提取的有色金属溶解于溶液中，而其它杂质不溶解，然后再从溶液中将有色金属提取和分离出来的过程。主要包括浸出、分离与富集和提取过程。电冶金：利用电能提取和精炼有色金属的方法。A、电热冶金：利用电能转变成热能在高温下提炼有色金属，本质同火法冶金。B、电化学冶金：用电化学反应使有色金属从所含盐类的水溶液或熔体中析出。前者称为水溶液电解，可归入湿法冶金；后者称为熔盐电解，可归入火法冶金。3.有色金属冶金主要单元过程（1）焙烧：将矿石或精矿置于适当的气氛下，加热至低于它们的熔点温度，发生氧化、还原或其它化学变化的过程。其目的是改变原料中提取对象的化学组成，满足熔炼或浸出的要求。按控制的气氛不同，分为：氧化焙烧：还原焙烧：硫酸化焙烧：氯化焙烧等。（2）煅烧：将碳酸盐或氢氧化物的矿物原料在空气中加热分解，除去二氧化碳或水分变成氧化物的过程。如石灰石煅烧为石灰；氢氧化铝煅烧成氧化铝，作电解铝原料。（3）烧结和球团：将粉矿或精矿经加热焙烧，固结成多孔状或球状的物料，以适应下一工序熔炼的要求。（4）熔炼：是指将处理好的矿石、精矿或其他原料，在高温下通过氧化还原反应，使矿物原料中有色金属组分与脉石和杂质分离为两个液相层即金属（或金属锍）液和熔渣的过程，也叫冶炼。分为：还原熔炼：造锍熔炼：氧化吹炼：（5）火法精炼：在高温下进一步处理熔炼、吹炼所得的含有少量杂质的粗金属以提高其纯度。种类：氧化精炼、硫化精炼、氯化精炼、熔析精炼、碱性精炼、区域精炼、真空冶金、蒸馏等。（6）浸出：用适当的浸出剂（如酸、碱、盐等水溶液）选择性地与矿石、精矿、焙砂等矿物原料中金属组分发生化学作用，并使之溶解而与其它不溶组分初步分离的过程。浸出又称浸取、溶出、湿法分解。（7）液固分离：该过程是将矿物原料经过酸、碱等溶液处理后的残渣与浸出液组成的悬浮2液分离成液相与固相的湿法冶金单元过程。主要有物理方法和机械方法：重力沉降、离心分离、过滤等。（8）溶液净化：将矿物原料中与欲提取的有色金属一道溶解进入浸出液的杂质金属除去的湿法冶金单元过程。净液的目的是使杂质不至于危害下一工序对主金属的提取。方法主要有：结晶、蒸馏、沉淀、置换、溶剂萃取、离子交换、电渗析和膜分离等。（9）水溶液电解：利用电能转化的化学能使溶液中的金属离子还原为金属而析出，或使粗金属阳极经由溶液精炼沉积于阴极。前者称为电解提取或电解沉积（简称电积），也称不溶阳极电解，如铜电积；后者以粗金属为原料进行精炼，称为电解精炼或可溶阳极电解，如粗铜、粗铅的电解精炼。（10）熔盐电解：利用电热维持熔盐所要求的高温，又利用直流电转换的化学能自熔盐中还原金属，如铝、镁、钠、钽、铌的熔盐电解生产。3.铝合金的种类铸造铝合金：Al-Si,Al-Cu,Al-Mg,Al-Zn系和变形铝合金（加工用铝合金）4.各种铝用电解法或其它方法直接生产出来的纯铝称为原铝(99.7-98%):Al-00(特一号铝):99.7%；Al-0(特二)：99.6％；Al-1:99.5;Al-2:99;Al-3:98%精铝：99.95-99.995％特级精铝：Al99.995;一级精铝：Al99.99;二级精铝：Al99.95高纯铝：99.9995-99.999％Al-05:99.999%;Al-055:99.9995%超高纯度铝：99.9999-99.99999％（6N-7N）5.现代铝工业三个主要生产环节（1）从铝土矿提取纯氧化铝（2）用冰晶石-氧化铝熔盐电解法生产铝（3）铝加工辅助环节：（1）炭素电极制造（2）氟盐生产现代铝工业生产流程简图6.铝电解原理现代铝工业生产，主要采用冰晶石-氧化铝熔盐电解法，其中氧化铝是炼铝的原料，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。电解产物，阴极上是液体铝，阳极上是气体CO2（75-80%）和CO（20-25%）。在工业电解槽内，电解质通常由质量分数为95%的冰晶石和5%的氧化铝组成，电解温度为950-970℃。电解液的密度约为2.1g/cm3，铝液密度为2.3g/cm3，两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，浇铸成商品铝锭，纯度达99.5-99.8%。阳极气体中还含有少量有害的氟化物、沥青烟3气和二氧化硫。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。7．铝土矿分类铝土矿是含铝矿物和赤铁矿、针铁矿、高岭石、锐铁矿、金红石、钛铁矿等矿物的混合矿，是现代电解法炼铝的原料。铝土矿的化学成分质量分数和主要矿物成分铝土矿类型三水铝石一水软铝石一水硬铝石组成Al2O3·3H2OAl2O3·H2OAl2O3·H2O最高Al2O3%65.485.085.0晶系单斜正方正方硬度2.5~3.53.5~4.06.5~7.0密度2.423.013.44快速脱水温度/℃150350450在每升Na2O水溶液中Al2O3溶解度/g(125℃)10545基本不溶8．中国铝土矿的特点我国铝土矿的特点高硅、高铝和低铁，为一水硬铝石型，矿石中铝硅比在4～7之间[m(Al2O3)/m(SiO2)]。福建、河南和广西有少量的三水铝石型铝土矿。9.铝土矿质量评价标准A、矿石类型B、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由氧化硅生成羟基方钠石化合物所损失的氧化铝量。铝土矿的可溶性碱液溶出次序：三水铝石型、一水软铝石型、一水硬铝石型。10.从铝土矿中提取氧化铝的方法生产氧化铝的方法分为碱法(如拜耳法、烧结法、拜耳烧结联合法）、酸法和电热法。工业应用的只有碱法。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不与酸起反应而残留在渣中。得到的含铁铝盐酸性水溶液经除铁净化后，可通过不同的方法得到铝盐水合物结晶或氢氧化铝结晶，煅烧这些结晶得到氧化铝。酸法分为硫酸法和盐酸法。设备腐蚀、能耗高，尚未工业应用。电热法也尚未工业应用。拜耳法生产氧化铝占世界95%，主要采用三水铝石型铝土矿从铝土矿中提取铝的简要生产流程11．拜耳法拜耳法原理：用苛性钠溶液(其质量浓度为130～350gNa2O/L)在加热的条件下将铝土矿中的4各种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。流程见下页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；氢氧化铝煅烧溶出：指把铝土矿中的氧化铝水合物（Al2O3·xH2O)溶解在苛性钠（NaOH)中，生成铝酸钠溶液。Al2O3·xH2O+2NaOH=2NaAlO2+(x+1)H2OAl(OH)3+NaOH=NaAl(OH)4AlOOH+NaOH+H2O=NaAl(OH)4分解：析出固体氢氧化铝2NaAlO2+4H2O=2NaOH+Al2O3·xH2O(添加晶种Al2O3·3H2O）煅烧：Al2O3·3H2O=Al2O3+3H2O（高温1100℃）铝土矿的溶出率赤泥：在铝土矿溶出过程中，铝土矿中的不溶物残渣，经沉降分离和洗涤过滤后排除。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，全部进入沉淀中，由于赤铁矿呈红色，沉淀物也呈红色，此种残渣称为赤泥，数量巨大铝酸钠溶液：铝酸钠溶液中的Na2O和Al2O3的比值，来表示溶液中氧化铝的饱和程度。两种表示方法：A、采用物质的摩尔比n(Na2O)/n(Al2O3),其中的Na2O是按苛性碱NaOH浓度计算，叫苛性比，符号K。中国与俄罗斯B、采用物质的质量比m(Na2O)/m(Al2O3),符号为A/C，其中的Na2O按当量Na2CO3计算。美国使用。铝土矿的配入量K＝1.5-1.7按所溶出溶液苛性计算,循环性碱液的K＝3.1-3.4公式见6页拜耳法流程5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中有不同的溶解度，其中卵白石（SiO2·H2O)化学活性最大，最易溶解，在100℃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含水铝硅酸钠沉淀。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Na2O*Al2O3*1.7SiO2*nH2O（n可以大于2）。从式可知，每1kg的SiO2要结合1kg的Al2O3和0.6kg的Na2O。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%=[1-1/(A/S)]×100%式中A/S为铝土矿的铝硅比（质量比）∴A/S越高，矿石越容易溶解，理论溶出率越高。12.拜耳-烧结联合法特点：用于处理氧化铝与氧化硅质量比为5-7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液来补充拜耳法系统中碱损失。形式：串联（美国、前苏联）、并联（前苏联）、混联（中国）（1）串联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的赤泥中的氧化铝。因为直接用拜耳法处理含氧化硅较高的中等品位的铝土矿时，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，并用纯碱来补充拜耳法系统的苛性钠损失。（2）并联法6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化铝生产方法。（两套流程并行）（3）混联法先用拜耳法处理高品位铝土矿，然后用拜而法赤泥+低品位铝土矿共同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结厂同时生产，见工艺流程图。由于在处理低铁铝土矿时，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，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氧化铝。缺点：流程长、设备繁多、控制复杂、能耗高。国内新方法：选矿–拜耳法；国外：拜耳–水热联合法、拜耳–高压水化学联合法流程图见7页13.对氧化铝的要求炼铝用氧化铝的质量要求：纯度高、-氧化铝含量低、小于40m的粒度比例小，并且比表面积大于50m2/g。主要杂质：氧化钠、氧化钙、氧化硅、氧化钛、铁、磷、钒、硅等。粒度要求：限制大于200m和小于44m的比例。14.铝电解熔融电解质体系的导电机理及铝电解原理熔融电解质体系的构成：电极、电解质、盛置电解质的容器。电极：分为阴极(C)和阳极(A)两种，它们分别与直流电源的负极(