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江西理工大学冶金与化学工程学院第7章铝冶金1808年，英国的戴维首次使用了“Aluminum”这个词，并开始尝试生产铝。1825年，丹麦的奥斯特成功用钾从氯化铝中还原出铝；1827年，德国的维勒用金属钾还原熔融的无水氯化铝得到较纯的金属铝单质。由于难以制得，当时铝价高于黄金。德国的德维尔在1846年纯化了维勒过程，并发表在1859年的一本书上。由此十年内铝的价格降低了90%。1886年，美国的霍尔和法国的埃鲁各自独立发现了以霍尔-埃鲁法命名的电解制铝法。1889年，奥地利的拜尔发明了一种氧化铝湿法冶金方法。江西理工大学冶金与化学工程学院1.铝的性质和用途银白色，常用金属中密度较小，导电、导热、延展性和反光性能较好的金属；化学活性强，与氧、硫、碳、卤素及多种酸碱有较大反应趋势（热力学），但由于表面存在有致密氧化膜，又具有良好的抗腐蚀能力（动力学）；常温下稳定的氧化态为+3，具有两性金属的特性，氧化铝既溶于酸，又溶于强碱；铝元素能损害人的脑细胞。根据世界卫生组织的评估，规定铝的每日摄入量为0～0.6mg/kg。江西理工大学冶金与化学工程学院第二金属——铝随着冶炼技术的进步，铝价不断下跌，铝在诸多方面表现出优异的性价比，铝由贵族走向平民，应用面不断扩大，金属产量仅次于钢铁，成为当前“第二金属”。江西理工大学冶金与化学工程学院2007年(内)和2012年(外)我国铝消费结构图江西理工大学冶金与化学工程学院我国铝产量不断增加，占全球总产量的比值逐年上升2003至2013年我国和世界铝生产量19.8%44.1%江西理工大学冶金与化学工程学院我国铝消费量是世界上最多、增速最快的国家2006至2013年中国和美国以及世界铝总消费量比较图江西理工大学冶金与化学工程学院2.铝冶金的主要矿物原料炼铝最主要的矿石资源为铝土矿。铝土矿主要含铝矿物为三水铝石，一水硬铝石，一水软铝石。其他矿石主要有霞石、红柱石、蓝晶石、明矾石、高岭石。一水硬铝石高铝，高硅，低铁三水铝石低铝，低硅，高铁一水软铝石江西理工大学冶金与化学工程学院一水硬铝石三水铝石一水软铝石各种铝土矿的晶体结构溶出难度逐渐增加江西理工大学冶金与化学工程学院铝土矿的化学成分主要为Al2O3；主要杂质为：SiO2、Fe2O3、TiO2等，以及大量结晶水。微量杂质为：钙和镁的碳酸盐、钾、钠、钒、铬、锌、磷、镓、钪、硫等元素的化合物及有机物等。铝土矿的化学成分酸法生产氧化铝，除铁将是重要任务；碱法生产氧化铝过程中，最核心的任务是铝硅分离。江西理工大学冶金与化学工程学院2013年全球主要国家铝土矿储量分布图3.铝资源的分布世界铝资源分布我国自有铝土矿难以支撑国民经济的快速发展；2014全年澳大利亚成为中国最大的铝土矿出口国，出口量高达1565万吨左右。其次是印度513万吨和马来西亚326万吨江西理工大学冶金与化学工程学院我国铝土矿对外依存度高2006至2013年我国铝土矿国内产量与进口量的数据江西理工大学冶金与化学工程学院中国铝资源分布山西、河南、贵州、广西4省铝资源占全国的90%以上；一水硬铝石占全国铝土矿储量的98%以上；由于资源紧张，高铝粉煤灰一度成开发热点。江西理工大学冶金与化学工程学院4.铝冶金方法概述冰晶石熔体电解氧化铝成功后，一直是生产金属铝的唯一方法。由此，铝冶金分为铝矿石生产氧化铝和氧化铝电解生产铝两个主要过程。据原料不同，氧化铝可选择不同生产方法，这些方法包括：碱法、酸法、酸碱联合法、热法。碱法是当前氧化铝生产的主流工艺；酸法存在设备腐蚀、酸难回收等问题，虽被研究过试验过，但未获大规模应用；而当处理粉煤灰等非传统铝资源，这些方法再度浮沉。KarlJosefBayerCharlesMartinHallPaulHeroult登峰造极：由于产量大，研究丰富，铝冶金包含了当前最成熟的湿法冶金和熔盐电解过程。江西理工大学冶金与化学工程学院使矿石中的氧化铝与碱在一定条件下生成铝酸钠，进入溶液而与二氧化硅和氧化铁等杂质分离，然后再使纯净的铝酸钠溶液分解析出氢氧化铝，氢氧化铝经高温锻烧制得成品氧化铝。碱法生产氧化铝分为拜耳法、碱石灰烧结法、联合法。碱法生产氧化铝是当前的主流工艺。其中，拜耳法具有能耗低、工艺简单、产品纯度高的特点，倍受推崇。碱法生产氧化铝（主要工业生产方法）江西理工大学冶金与化学工程学院用硫酸、盐酸、硝酸等无机酸处理含铝原料而得到相应铝盐的酸性水溶液，然后使这些铝盐或水合物晶体(通过蒸发结晶)或碱式铝盐(水解结晶)从溶液中析出，也可用碱中和这些盐溶液，使铝成氢氧化铝析出，焙烧氢氧化铝、各种铝盐的水合物或碱式铝盐，便得到氧化铝。优点：适合处理高硅低铁铝矿缺点：需要昂贵的耐酸设备，酸的回收比较复杂，从铝盐溶液中除铁也较困难等。酸法生产氧化铝（小规模应用）江西理工大学冶金与化学工程学院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（拜耳法）处理。这一流程的实质是用酸法除硅，碱法除铁。缺点：流程复杂，未获工业应用。酸碱联合法生产氧化铝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，形成硅铁合金。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。热法生产氧化铝江西理工大学冶金与化学工程学院本章重点讲授：拜耳法生产氧化铝碱石灰烧结法生产氧化铝选矿-拜耳法生产氧化铝VsVs氧化铝熔盐电解生产铝江西理工大学冶金与化学工程学院5.拜耳法生产氧化铝拜耳法由四个主要工序构成了一个封闭的拜耳法循环铝土矿的高温溶出铝酸钠溶液的晶种分解矿浆的稀释和过滤分解母液的蒸发与苛化铝酸钠溶液的性质江西理工大学冶金与化学工程学院Na2O-Al2O3-H2O系相图要掌握其核心，必先了解铝酸钠溶液的性质Na2O,%510152025303540450510152530352040ABCD至Al2O3·3H2O点分子比1.65分子比3.40Al2O3,%至Al2O3·H2O点温度一定时，碱浓度增大，氧化铝溶解度也增大；碱浓度一定时，温度升高，氧化铝溶解度增大。分析相图，可知：过饱和铝酸钠溶液具有一定的稳定性。相图之外的性质：江西理工大学冶金与化学工程学院铝酸钠溶液的稳定性对氧化铝生产过程具有重要意义作为氧化铝生产过程中的中间产物，铝酸钠溶液从制成到分解析出氢氧化铝要经过赤泥沉降、脱硅、净化等多道工序，在此期间要尽量保持铝酸钠溶液的稳定性，尽量避免析出氢氧化铝；分解工序时，则要降低铝酸钠溶液的稳定性，使铝酸钠溶液较快地析出氢氧化铝。铝酸钠溶液的过饱和特性，有利于铝土矿的溶出，不利于氢氧化铝的析出。江西理工大学冶金与化学工程学院影响铝酸钠溶液稳定性的因素①溶液的苛性比值：提高溶液苛性比值使溶液的过饱和程度减小其稳定性增加；②温度：提高温度稳定性增加；③溶液浓度：铝酸钠溶液的浓度(Al2O3)与其稳定性的关系比较复杂，一般在高浓度和低浓度时稳定性好，中等浓度稳定性差；④溶液中的杂质：如Na2CO3、Na2SO4、Na2SiO3以及有机物等杂质使溶液粘度增大而稳定性提高；⑤晶种：加入结晶核心如Al(OH)3微粒则使稳定性降低；⑥搅拌作用：搅拌会使稳定性下降。江西理工大学冶金与化学工程学院溶出稀释晶种分解蒸发拜耳法生产氧化铝的基本流程江西理工大学冶金与化学工程学院江西理工大学冶金与化学工程学院拜耳循环的巧妙之处——变换浓度和温度，铝酸钠溶液吐新纳故，氢氧化钠闭路循环！高温高碱条件下，将铝土矿中的氧化铝溶出；低温低碱条件下，溶出的铝以氢氧化铝的形式析出。铝土矿（Al2O3）Al(OH)3铝酸钠溶液（Na2O-Al2O3-H2O）低温低碱高温高碱NaOH江西理工大学冶金与化学工程学院拜耳法溶出铝土矿杂质的行为一个合理的冶金工艺，必须要妥善安排杂质的出口不与碱作用，入渣，使渣呈红色，渣因此称为赤泥。氧化铁：含量7%~25%①针铁矿生成难以滤除的微小氧化铁水合物颗粒，降低成品质量；生成大量沉降性能很差的赤泥；②铝以类质同象形态进入针铁矿，使矿石中铝的提取率降低。危害：江西理工大学冶金与化学工程学院赤泥的堆放江西理工大学冶金与化学工程学院赤泥溃坝江西理工大学冶金与化学工程学院不与碱作用形成钛酸钠而消耗碱；生成的钛酸钠成膜状覆盖在矿石表面，阻碍溶出反应进行。并且在换热表面生成钛结疤，极难清洗。二氧化钛：含量2%左右与TiO2生成更为稳定的钛酸钙，减少碱的损失；促进针铁矿(FeOOH)转变为赤铁矿(Fe2O3)；生成比钠硅渣更易脱离的水化石榴石，从而破坏矿石表面的致密结构，促进了铝的溶出。氧化钙：江西理工大学冶金与化学工程学院化学性质与铝相似，溶出后在溶液中累积；90%以上的镓是氧化铝生产过程中提取的。氧化镓：含量0.0001%~0.001%约1/3以钒酸钠形式溶出，种分时与Al(OH)3同析出；易在阴极还原析出进入原铝，影响产品质量；热水洗涤Al(OH)3除钒。氧化钒：含量0.05%~0.15%江西理工大学冶金与化学工程学院高碱浓度下，发生反苛化作用，造成苛性钠浓度降低：碳酸盐：CaCO3+2NaOH＝Ca(OH)2+Na2CO3蒸发母液析出Na2CO3·H2O，继而用过量石灰苛化，在95℃以上，发生苛化反应，重新得到NaOH溶液：Ca(OH)2+Na2CO3＝CaCO3+2NaOH江西理工大学冶金与化学工程学院含硅矿物主要为高岭石、伊利石、叶腊石等，与苛性碱反应，以硅酸钠的形式进入溶液：。：硅酸盐：铝土矿中最有害杂质SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O在溶液中，硅酸钠进而与铝酸钠相互作用，生成铝硅酸钠（钠硅渣）：2NaAlO2+2Na2SiO3+4H2O=Na2O·Al2O3·2SiO2·2H2O+4NaOH江西理工大学冶金与化学工程学院引起A12O3和Na2O的损失；钠硅渣进入氢氧化铝后，降低成品质量；钠硅渣在生产设备和管道的换热表面结疤，使传热系数严重降低，增加能耗和清理工作量；大量钠硅渣的生成增大赤泥量，并且可能成为极分散的细悬浮体，极不利于赤泥的分离和洗涤。钠硅渣的危害：使得单纯的拜耳法不能处理高硅铝土矿！江西理工大学冶金与化学工程学院溶出设备——压煮器与管道化江西理工大学冶金与化学工程学院溶出设备——压煮器与管道化原理：高压溶出器的厚度与其直径及工作压强成正比能耐受更高压强；强烈的紊流搅拌；结疤易堵塞管道。江西理工大学冶金与化学工程学院铝酸钠溶液的晶种分解（简称种分）晶种分解是向铝酸钠溶液中加入晶种，充分搅拌，控制分解条件，使铝酸钠溶液分解析出氢氧化铝。目的：获得质量良好的氢氧化铝产品（纯度和形貌要求），同时得到苛性比值较高的种分母液。江西理工大学冶金与化学工程学院氢氧化铝结晶形成的机理（1）氢氧化铝晶体的长大整个种分作业中，均存在着晶种的直接长大过程。晶种长大是氧化铝直接从溶液中析出的唯一途径，因而也是直接影响产出率的唯一过程。（2）次生晶核的形成晶种分解时，在一定条件下会产生大量新的晶核。这种产生于晶种表面而后脱落进入溶液的很细小的晶核称为“次生晶核”，这种现象称为“次生成核”或“繁殖成核”。江西理工大学冶金与化学工程学院（3）晶种的附聚附聚是指若干个颗粒粘结在一起形成稳定的附聚体的现象。附聚作用也使氢氧化铝粒度增大。（4）晶体的破裂与磨蚀氢氧化铝晶体在搅拌强烈的情况下与搅拌器、器壁及其它晶体碰撞而破裂成小晶体，这是破裂。晶体的棱角在结晶器内因碰撞而被磨蚀下来成为小晶体，此时原晶体变得圆滑，但颗粒大小实际上无甚变化，这便是磨蚀。江西理工大学冶金与化学工程学院晶种分解设备采用的设备主要为空气搅拌分解槽或机械搅拌分解槽，连续分解，每组分解槽由7-20个单槽组成。MIG型机械搅拌分解槽空气搅拌分解槽江西理工大学冶金与化学工程学院氢氧化铝分离、洗涤种分得到的氢氧化铝浆液，用过滤设备将氢氧化铝和母液分离，分离得到的氢氧化铝一部分直接返回生产流程，作种子分解的晶种，其余部分经进一步洗涤生产氢氧化铝成品。过滤主要设