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第一篇轻金属冶金学第1章铝冶金1.1概述--Introduction1.1.1铝冶金的历史•铝在自然界中的分布地壳中铝8%，仅次于氧和硅，在金属元素中，铝居首位•1825年，丹麦,哥本哈根，化学家,HansChristianOersted首次制备金属铝•Wohlerisgenerallycreditedwithhavingisolatedthemetalin1827.•我国开采历史悠久（1）汉代《本草经》（2）明代《天工开物》化学法制铝（1825～1890）、电解法炼铝（1887～1888年以后）化学法制取铝1825Oersted丹麦钾汞还原无水氯化铝1827Wohler德国钾还原无水氯化铝1854Deville法国钠还原NaCl-AlCl31865Bektob俄国镁还原冰晶石1886年美国Hall法国Heroult申请专利：Hall-Heroult法，即冰晶石-氧化铝法1.1.2现代铝工业全世界原铝产量化学法：工制备200吨铝电解法1890：180t；1900：6990t；1925：18万t；1950：150万t；1970：1025万t1980：1560万t2000：2400万tTotalout-putofAl05000000100000001500000020000000250000003000000018801900192019401960198020002020YearOut-put,t非洲北美拉丁美洲亚洲西欧中东大洋洲波斯湾中国总计日均20071,8155,6422,5583,7174,3054,4602,31512,58837,400102.520081,7155,7832,6603,9234,6184,6582,29713,10538,759105.920091,6814,7592,5084,4003,7224,1172,21112,96436,36299.620101,7424,6892,3052,5003,8004,2532,2772,72416,13140,421110.720111,8034,9692,1842,5334,0274,3192,3063,47317，78643，400118.9表12007~2011年世界原铝产量单位：千吨表22009、2010年世界各国铝产量与产能列表（数据来自美国能源部）单位：千吨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％铝合金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(Na3AlF3)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。迄今为止还没有发现另一种化合物可以代替冰晶石的。这是因为冰晶石除了能够溶解氧化铝以外还具有其它一些不可缺少的性质，如不含比铝更正电性的元素，稳定性好，在一般条件下不分解、不挥发、不潮解，熔点高于铝，导电性好，节约电量等。可以说，如果没有冰晶石，全世界也许就没有如此大规模的铝工业，价格也就没有这么低，应用也就没有这么广泛。格陵兰西海岸是冰晶石的主要产地，此矿于1987年开采完毕。现时多以萤石人工合成六氟铝酸钠供工业使用。西班牙、俄罗斯和美国也有产出。1.1.3铝的性质和用途周期表上第三周期、IIIA族元素，原子序数13，相对原子量26.98154。1.1.3.1铝的主要物理性质轻金属(ρ=2.6966-2.6988g/cm3),银白色金属光泽熔点低:660℃;沸点高:2467℃导热能力好,是铜的1.5倍左右电阻率低,(2.8-2.85)×10-8·m高反射率，尤其波长为0.2～12µm的光线无磁性，不产生附加的磁场再生利用率高构成多种合金，应用广泛。1.1.3.2铝的化学性质与氧反应高结合能力：生成Al2O3，氧化铝的生成热为-31KJ/g-Al，高温下将其他金属氧化物还原为金属（铝热法）2Al+3MeO=Al2O3+3Me歧化反应：在800℃以上温度，铝同三价卤化物（如AlF3）反应生成一价铝的卤化物，在冷却时一价铝的卤化物分解出三价铝的卤化物和铝超高纯度铝的生产方法之一铝易同稀酸起反应，又易被苛性碱溶液侵蚀，生成氢气和可溶性盐盐酸、硫酸、碱液;冷硝酸（稀、浓）:铝不与碳氢化合物起反应铝的保护剂：表面自动生成0.2微米左右的氧化膜，自保护保护膜的利弊：利：；弊：1.1.3.3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中含量肝/p.p.m.:3–23；肌肉/p.p.m.:0.7-28血/mgdm-3:0.39骨/p.p.m.:4-27日摄入量/mg:2.45人(70Kg)均体内总量/mg:60太多：维生素C的损失少量的铝溶解在含有机酸的蔬菜中,如西红柿要禁忌过量的铝铝质容器：不可存放隔夜食物铝能对抗铅的某些毒性1.1.3.4铝合金的种类铸造铝合金：Al-Si,Al-Cu,Al-Mg,Al-Zn系变形铝合金（加工用铝合金）防锈铝：Al-Mg,Al-Mn硬铝:Al-Cu-Mg,Al-Cu-Mn超硬铝:Al-Mg-Cu-Zn锻铝:Al-Mg-Si特殊铝合金（Al-Si,Al-Mg[高纯]）、钎焊铝合金1.1.3.5铝的用途传统用途：建筑、输电、食品、化工铝在交通运输业上的应用铝在航空、航天、军工上的应用铝在当代高技术领域的应用：微电子、太阳能电解法炼铝1886年美国Hall法国Heroult申请专利：Hall-Heroult法，即冰晶石-氧化铝法法国：1889挪威：1906英国：1890意大利：1907德国：1898西班牙：1927奥地利1899前苏联：1931中国：19381.1.4铝矿（1）铝土矿（Bauxite)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。铝土矿实际上是指工业上能利用的，以三水铝石、一水软铝石或一水硬铝石为主要矿物所组成的矿石的统称。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(g/cm3)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铝石型。铝土矿的储量全世界为245亿吨，可满足今后150年需要，80%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。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。中国铝业公司青海分公司贵州分公司广西分公司山东分公司河南分公司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。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。铝土矿质量评价标准：A、矿石类型B、铝硅比（2）红柱石、霞石红柱石、硅线石和蓝晶石：Al2O3·SiO2霞石:(Na,K)2O·Al2O3·SiO2（3）长石(铝硅酸盐)和高岭(Al2O3.2SiO2.2H2O)（4）明矾石矿1.2从铝土矿提取氧化铝从铝土矿中提取铝的简要生产流程见图从铝土矿中提取氧化铝的方法拜耳法、碱石灰烧结法、联合法(拜耳-烧结)拜耳法生产氧化铝占世界95%，主要采用三水铝石型铝土矿