有色冶金概論鋁冶金

1、 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 輕有色金屬 鋁冶金學(xué) 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 在有色金屬之中，輕金屬發(fā)展較晚，十八世紀(jì)末被陸續(xù)發(fā)展后，十九世紀(jì)初才得以分離為單獨(dú)的金屬本世紀(jì)才開始工業(yè)生產(chǎn)。然而輕金屬的生產(chǎn)迅速，鋁的產(chǎn)量在1956年超過了銅，躍居有色金屬之首，成為產(chǎn)量僅次于鋼鐵的金屬。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 輕金屬元素的性質(zhì)比重小，還與它們的物理化學(xué)性質(zhì)和冶煉技術(shù)有許多共同的特點(diǎn)有關(guān)：與氧、鹵族元素、硫和碳的化合物都非常穩(wěn)定，在電化次序表上，都是負(fù)電性很強(qiáng)的元素。不能用碳直接還原其氧化物來制取金屬。輕金屬的冶煉方法： 熔鹽電解法

2、 金屬熱還原法 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 在輕金屬中最重要和最有代表性的是鋁和鎂。地殼中含量最多的金屬元素是 ；Al 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 第一節(jié) 緒 論1.1 鋁冶金的歷史 19世紀(jì)初，法國皇帝拿破侖三世，為顯示自己的富有和尊貴，命令官員給自己制造一頂比黃金更名貴的王冠鋁王冠。在舉行宴會時(shí)，只有他使用一套鋁質(zhì)餐具，其他人只能用銀制餐具。 即使在化學(xué)界，鋁也被看成最貴重的。英國皇家學(xué)會為了表彰門捷列夫?qū)瘜W(xué)的杰出貢獻(xiàn)，不惜重金制作了一只鋁杯，贈送給門捷列夫。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 3Na+AlCl3（熔融） 3NaCl

3、+Al一定條件1886年，美國霍爾和法國埃魯用電解法冶煉得到鋁 2Al2O3（熔融） 4Al +3O2 通電法國的德維爾于1854年制得鋁 氧化鋁的熔點(diǎn)（2054）很高，直接加熱使其溶化需要消耗很大的能量?；魻柡桶ｔ斪钪匾耐黄剖钦业搅酥蹌┍?Na3AlF6)，使氧化鋁熔融溫度降低，減低了能耗，大大降低了生產(chǎn)鋁的成本。電解鋁方法的發(fā)明德國的沃勒于1827年發(fā)現(xiàn)鋁 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 鋁冶金發(fā)展概況有關(guān)鋁的文字記錄最早出現(xiàn)于公元一世紀(jì)羅馬作家蓋斯普利紐斯（Gaius Plinius）的論文集。但是，鋁的問世應(yīng)是1825年。至今雖然為時(shí)不長，但鋁冶金發(fā)展較快。17

4、46年P(guān)ott從明礬制取了純的氧化鋁（Alumina）1825年丹麥化學(xué)家奧斯特 (Orested)用鉀汞還原無水氯化鋁，得到一種灰色的金屬粉末，在研磨時(shí)呈現(xiàn)金屬光澤，但當(dāng)時(shí)未能加以鑒定。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 1827年德國化學(xué)家韋勒（F.Wohler）先用鉀汞齊，后來用鉀還原無水氯化鋁制得少量細(xì)微的金屬顆粒，1845年，他把氯化鋁氣體通過熔融的金屬鉀表面，得到金屬鋁珠，并測定了鋁的密度和部分性質(zhì)1854年法國的一位小學(xué)教師戴維爾(H.S.Deville)用鈉還原NaClAlCl3混合鹽也得到金屬鋁，并在法國進(jìn)行小規(guī)模生產(chǎn)。隨后羅西和別凱托夫分別用鈉和鎂還原冰晶石煉

5、鋁成功，并用此方法建廠煉鋁。應(yīng)用化學(xué)法煉出的金屬鋁總共約200噸。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 1854年法國的德維爾Deville和德國人本生Bunsen各自獨(dú)立使用炭電極在陶瓷容器內(nèi)電解NaAlCl4制得了少量鋁，直到1876年，這種方法才得以實(shí)現(xiàn)。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 1886年美國霍爾（Hall）和法國埃魯特（Heroult）不約而同地提出了利用冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法煉鋁的專利，開創(chuàng)了電解法煉鋁階段。Hall認(rèn)為氧化鋁是煉鋁的適當(dāng)原料，唯一的問題是要尋找一種適宜的熔劑，因?yàn)檠趸X的熔點(diǎn)很高。所以他系統(tǒng)地研究了各種熔劑，進(jìn)行試驗(yàn)，一直到冰

6、晶石為止。而埃魯特則相反，自從電解純冰晶石熔液得到鋁之后，為了尋找煉鋁原料他先添加了NaCl-AlCl3絡(luò)合鹽，但由于NaCl-AlCl3易水解，故改用氧化鋁。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 1888年美國匹茲堡電解廠開始用冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法煉鋁。瑞士冶煉公司也在同時(shí)采用該法煉鋁。以后，其他各國也相續(xù)采用電解法煉鋁，法國于1889年，英國1890年，德國1898年，奧地利1899年，挪威1906年，意大利1907年，西班牙1927年，前蘇聯(lián)1931年，中國1938年。與化學(xué)法煉鋁相比，電解法成本較低，而且產(chǎn)品質(zhì)量好。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 1.

7、2 現(xiàn)代鋁工業(yè)輔助環(huán)節(jié)：炭素電極制造氟鹽生產(chǎn)從鋁土礦提取純氧化鋁用冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法生產(chǎn)金屬鋁鋁加工三個(gè)主要生產(chǎn)環(huán)節(jié) 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁純氧化鋁電解制鋁原鋁精煉拜耳法燒結(jié)法拜耳燒結(jié)聯(lián)合法鋁的生產(chǎn)方法精鋁 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 1.3 鋁的性質(zhì)和用途物理性質(zhì)銀白色比重小: 2.7g/cm3導(dǎo)電性好: 2635 (10-4 1 cm-1)導(dǎo)熱性好: 0.50 (cal/cm S K)良好的延展性和其合金的高比強(qiáng)度抗腐蝕性易著色. 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 導(dǎo)電性很好，僅次于銀、銅；可以做電線、電纜鋁

8、的用途 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 鋁的用途 延展性很好，做成鋁箔可以用在食品工業(yè) 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 熱的良導(dǎo)體: 導(dǎo)熱能力比鐵大三倍，可以做炊具以及各種熱交換器。鋁的用途 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 鋁的用途制鋁合金，硬鋁:含鋁、鎂、銅、錳、硅 廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、船舶等制造業(yè)，窗門框等建筑業(yè)。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 鋁的用途京廣鐵路的焊接現(xiàn)場焊接鐵軌（鋁熱劑） 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 化學(xué)性質(zhì)鋁的原子結(jié)構(gòu) 8+1323鋁容易失去最外層3個(gè)電子，成為帶3個(gè)單位正電荷的鋁離

9、子。因此鋁的還原性很強(qiáng)。（1）跟非金屬反應(yīng)跟氧氣反應(yīng)在空氣中,生成致密而堅(jiān)固的氧化鋁薄膜在純氧中加熱或在空氣里高溫下能與氧氣激烈反應(yīng),發(fā)生燃燒4Al3O2 = 2Al2O3 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 鋁也能與硫、鹵素等起反應(yīng)。 2Al3S Al2S32Al3Cl2 2AlCl3 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 （2）跟酸反應(yīng) a. 與非氧化性酸反應(yīng)：2Al3+ 6H 2Al33H2 b. 與強(qiáng)氧化性酸反應(yīng)：常溫鈍化。因此，可以用鋁制 的容器來裝運(yùn)濃硫酸或濃硝酸。2Al6H2SO4(濃) Al2(SO4)33SO26H2OAl6HNO3(濃) Al(NO3)

10、33NO23H2O 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 （3）與水反應(yīng)鋁能與沸水反應(yīng)，帶膜的鋁不與水反應(yīng)。 2Al6H2O 2Al(OH)3 3H2 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 （4）跟強(qiáng)堿溶液反應(yīng)生成氫氣和偏鋁酸鹽。 2Al2NaOH2H2O 2NaAlO23H2 鋁制容器不能用來盛放燒堿溶液。（5）跟某些金屬氧化物反應(yīng) 此反應(yīng)叫鋁熱反應(yīng)，可產(chǎn)生2000以上的高溫。工業(yè)上應(yīng)用這個(gè)反應(yīng)焊接鋼軌。 與氧化鐵反應(yīng)鋁熱劑：鋁粉與金屬氧化物的混合物（鋁和氧化鐵的混合物是最常用的鋁熱劑）鋁熱劑法：用加熱鋁粉和金屬氧化物的混合物還原金 屬的方法。2AlFe2O3 2FeAl

11、2O3 熱 高溫 鋁除了能與氧化鐵反應(yīng)，還原出鐵外，還能與五氧化二釩、氧化鉻、二氧化錳等金屬氧化物發(fā)生類似反應(yīng)，如： 2AlCr2O3 = 2CrAl2O3 熱，并放出大量的熱，使被還原的金屬在較高的溫度下，呈熔融狀態(tài)并跟形成的爐渣分離，從而獲得較純的金屬。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 單元問題現(xiàn)代鋁工業(yè)的三個(gè)主要生產(chǎn)環(huán)節(jié) 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 第二講 氧化鋁的生產(chǎn)概述 氧化鋁是鋁冶煉的主要原料，每生產(chǎn)1噸原鋁需要消耗近2噸氧化鋁。此外，各種特殊性能的氧化鋁也廣泛應(yīng)用于電子、石油、化工、耐火材料、陶瓷、造紙、制藥等行業(yè)，因此，氧化鋁生產(chǎn)在我國經(jīng)濟(jì)建

12、設(shè)中占有十分重要的地位。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 2.1.氧化鋁及其水合物 氧化鋁外觀為白色粉末，結(jié)晶狀態(tài)為六方晶體結(jié)構(gòu)，分子式通常寫為Al2O3，分子量為101.96。 氧化鋁是典型的兩性氧化物，不溶于水，可溶于無機(jī)酸和堿性溶液，由于其結(jié)晶形式不同，在酸、堿溶液中的溶解度及溶解速度也不同。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 氧化鋁水合物是鋁土礦中的主要礦物。氧化鋁水合物實(shí)際上是由OH-、O2- 、 Al3+構(gòu)成的，其中并不存在水分子。主要有三水鋁石、一水軟鋁石、一水硬鋁石和剛玉。其分子式為：三水鋁石： Al（OH）3一水軟鋁石：-AlOOH一水硬鋁石：-

13、AlOOH剛玉： Al2O3氧化鋁水合物的化學(xué)性質(zhì)也由于其結(jié)構(gòu)不同而有很大差別?；瘜W(xué)活性按下列次序遞減：三水鋁石化學(xué)活性最大、一水軟鋁石次之、一水硬鋁石較弱、剛玉則是非常穩(wěn)定的氧化鋁。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 2.2 氧化鋁生產(chǎn)方法 氧化鋁是兩性氧化物，故它既可以用堿性溶液也可以用酸性溶液使得鋁土礦中的氧化鋁溶出。堿法：拜耳法、堿石灰燒結(jié)法和拜耳-燒結(jié)聯(lián)合法等。酸法、酸堿聯(lián)合法、熱法 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 堿法生產(chǎn)氧化鋁，就是用堿(NaOH或Na2CO3)處理鋁土礦，使礦石中的氧化鋁水合物和堿反應(yīng)生成鋁酸鈉溶液。鋁土礦中的鐵、鈦等雜質(zhì)和絕大部分

14、的二氧化硅則成為不溶性的化合物進(jìn)入固體殘?jiān)?。這種殘?jiān)环Q為赤泥。鋁酸鈉溶液與赤泥分離后，經(jīng)凈化處理，分解析出A1(OH)3，將A1(OH)3與堿液分離并經(jīng)過洗滌和焙燒后，即獲得產(chǎn)品氧化鋁。 目前工業(yè)上幾乎全部采用堿法生產(chǎn)氧化鋁。堿法生產(chǎn)氧化鋁 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 酸法生產(chǎn)氧化鋁就是用硫酸、鹽酸、硝酸等無機(jī)酸處理鋁礦石，得到含鋁鹽溶液，然后用堿中和這些鹽溶液，使鋁成氫氧化鋁析出，焙燒氫氧化鋁或各種鋁鹽的水合物晶體，便得到氧化鋁。酸法生產(chǎn)氧化鋁 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 用酸法處理鋁礦石時(shí)，存在于礦石中的鐵、鈦、釩、鉻等雜質(zhì)與酸作用進(jìn)入溶液中，這

15、不但引起酸的消耗，而且它們與鋁鹽分離比較困難。氧化硅絕大部分成為不溶物進(jìn)入殘?jiān)c鋁鹽分離，但有少量成為硅膠進(jìn)入溶液，所以鋁鹽溶液還需要脫硅，而且需要昂貴的耐酸設(shè)備。 用酸法處理分布很廣的高硅低鋁礦(如粘土、高嶺土、煤矸石和煤灰)在原則上是合理的，在鋁土礦資源缺乏的情況下可以采用此法。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 酸堿聯(lián)合法是先用酸法從高硅鋁礦石中制取含鐵、鈦等雜質(zhì)的不純氫氧化鋁，然后再用堿法處理。這一流程的實(shí)質(zhì)是用酸法除硅，堿法除鐵。 酸堿聯(lián)合法生產(chǎn)氧化鋁 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 熱法適合于處理高硅高鐵的鋁礦，其實(shí)質(zhì)是在電爐中熔煉鋁礦石和碳的混合物，

16、使礦石中的氧化鐵、氧化硅、氧化鈦等雜質(zhì)還原，形成硅合金。而氧化鋁則呈熔融狀態(tài)的爐渣而上浮，由于密度不同而分離，所得氧化鋁渣再用堿法處理從中提取氧化鋁。 熱法生產(chǎn)氧化鋁 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 2.3 鋁土礦鋁土礦組成 鋁土礦是一種以氧化鋁水合物為主要成分的復(fù)雜鋁硅酸鹽礦石，鋁土礦的主要化學(xué)成分有：Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2，少量的CaO、MgO硫化物、微量的鎵、釩、磷、鉻等元素的化合物。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 鋁土礦分類 鋁土礦中Al2O3含量大致為50%70%，其礦物成分有三水鋁石Al(OH)3、一水軟鋁石AlOOH和一水硬鋁

17、石AlOOH。鋁土礦按其含有的氧化鋁水合物的類型可分為：三水鋁石型鋁土礦；一水軟鋁石型鋁土礦；一水硬鋁石型鋁土礦；混合型鋁土礦。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 我國鋁土礦除了分布集中外，以大、中型礦床居多。儲量大于2000萬t的大型礦床共有31個(gè)，其擁有的儲量占全國總儲量的49%；儲量在2000500萬t之間的中型礦床共有83個(gè)，其擁有的儲量占全國總儲量的37%，大、中型礦床合計(jì)占到了86%。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 鋁土礦中SiO2主要以高嶺石Al2O32SiO22H2O等硅酸鹽礦物存在，有的含少量石英(晶質(zhì)SiO2)、蛋白石(SiO2nH2O)及其

18、他粘土礦物。 二氧化硅是鋁土礦的主要有害成分，它是氧化鋁生產(chǎn)中引起堿和氧化鋁損失的主要來源。在氧化鋁生產(chǎn)中評價(jià)鋁土礦的質(zhì)量即以鋁土礦中氧化鋁和氧化硅的重量比為標(biāo)準(zhǔn)，稱為“鋁硅比”(A/S)。目前工業(yè)生產(chǎn)中要求鋁土礦的鋁硅比不低于7(用于拜耳法者)，用燒結(jié)法處理者應(yīng)不低于3.5。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 我國鋁土礦特點(diǎn) 我國鋁土礦資源豐富，儲量大，根據(jù)目前已探明的具有工業(yè)價(jià)值的鋁土礦床，主要分布在河南、山西、廣西、貴州及山東等省。我國鋁土礦的一般特點(diǎn)是高鋁、高硅、低鐵；鋁硅比較低，中低品位鋁土礦居多；多數(shù)鋁土礦是一水硬鋁石型鋁土礦。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬

19、冶金概論 其他鋁礦資源除鋁土礦外，可用于生產(chǎn)氧化鋁的其他原料主要有：明礬石礦 我國浙江、安徽有很大的明礬石礦床。蘇聯(lián)、美國等都擁有豐富的明礬石礦。霞石礦 霞石常與長石、磷灰石等礦物伴生，經(jīng)選礦后的霞石精礦可用于生產(chǎn)氧化鋁、堿和水泥。我國云南和四川有儲量很大的霞石礦。蘇聯(lián)有豐富的霞石資源，工業(yè)生產(chǎn)近50年，但處理霞石的氧化鋁產(chǎn)量不到其氧化鋁總產(chǎn)量的1/5。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 單元問題1、 氧化鋁生產(chǎn)方法2、 我國鋁土礦特點(diǎn) 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 第三講 拜耳法生產(chǎn)氧化鋁回顧：氧化鋁的主要生產(chǎn)方

20、法：堿法、酸法、酸堿聯(lián)合法、熱法 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 堿處理分解煅燒鋁土礦鋁酸鈉溶液Al(OH)3Al2O3 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 3.1 拜耳法原理和基本流程3.1.1拜耳法的基本原理和實(shí)質(zhì) 拜耳法是澳大利亞化學(xué)家拜耳（Karl Josef Bayer）在1889-1892年間所發(fā)明的。拜耳法用在處理低硅鋁土礦，特別是處理三水鋁石型鋁土礦時(shí)，流程簡單、產(chǎn)品質(zhì)量好，因而得到廣泛的應(yīng)用。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 1 拜耳法的基本原理（1）用NaOH溶液溶出鋁土礦所得到的鋁酸鈉溶液,在添加晶種，不斷攪拌的條件下，溶液中的

21、氧化鋁便呈氫氧化鋁析出。（2）分解得到的母液，經(jīng)蒸發(fā)濃縮后在高溫下可用來溶出新的一批鋁土礦。交替使用這兩個(gè)過程就能夠每處理一批礦石，便得到一批氫氧化鋁，構(gòu)成所謂的拜耳法循環(huán)。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 拜耳法的實(shí)質(zhì)就是使下一反應(yīng)在不同的條件下朝不同的方向交替進(jìn)行：Al2O3(1或3)H2O+2NaOH(aq)=2NaAl(OH)4(aq)溶出140 分解96%， N標(biāo)97%；聯(lián)合法廠：A標(biāo)93.5%，N標(biāo)95.5%反應(yīng)燒結(jié)強(qiáng)度和氣孔率。密度：燒結(jié)法廠1.2-1.3g/L;聯(lián)合法廠1.2-1.45g/L粒度：粒度應(yīng)均勻，30-50mm。S2-0.25%的熟料是黑心多孔，質(zhì)量

22、好； S2-7%，燒結(jié)過程遇到困難，硫酸鈉容易融化，使熟料中液相增加，造成熟料窯結(jié)圈，運(yùn)轉(zhuǎn)不能正常。在蒸發(fā)過程中呈復(fù)鹽析出，影響蒸發(fā)作業(yè)生料加煤可消除氧化鐵和硫的有害作用 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 4.2.5 影響熟料質(zhì)量的主要因素爐料成分：鋁硅比，鐵鋁比，堿比、鈣比，生料中硫酸鈉燒結(jié)溫度煤粉質(zhì)量爐料的粒度和混合程度熟料窯的操作 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 4.2.6 提高燒結(jié)窯產(chǎn)能和降低熱耗得途徑降低生料漿的含水量擴(kuò)大窯體直徑提高窯的發(fā)熱能力提高冷卻機(jī)的冷卻效果生料摻煤選擇最佳作業(yè)制度提高窯的運(yùn)轉(zhuǎn)率 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 4

23、.3 鋁酸鹽熟料的溶出4.3.1 溶出過程的目的和要求目的：使熟料中的Na2OA12O3盡可能完全地轉(zhuǎn)入溶液，而Na2OFe2O3盡可能完全地分解，以獲得A12O3、Na2O高的溶出率。要求：溶出液要與赤泥盡快地分離，以減少氧化鋁和堿的化學(xué)損失。分離后的赤泥，挾帶著附液，應(yīng)充分洗滌，以減少堿和氧化鋁的機(jī)械損失。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 4.3.2 熟料溶出過程的主要反應(yīng)鋁酸鈉：鋁酸鈉及其與鐵酸鈉組成的固溶體易溶于水和稀減溶液。鐵酸鈉：固體鐵酸鈉在水中是極不穩(wěn)定的，在溶出時(shí)立即發(fā)生水解: Na2OFe2O3 +H2O=2NaOH + Fe2O3H2O 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與

24、資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 鋁酸鈣：CaOAl2O3 + Na2CO3+aq=2NaAl(OH)4+CaCO3+aq12CaO7Al2O3 + 12Na2CO3+aq=14NaAl(OH)4+12CaCO3+10NaOH+aq3CaOAl2O36H2O + 3Na2CO3+aq =2NaAl(OH)4+3CaCO3+4NaOH+aq 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 鐵酸鈣 CaOFe2O3和2CaOFe2O3兩種鐵酸鈣在堿溶液和鋁酸鈉溶液中都可能分解，反應(yīng)式如下： 3(CaOFe2O3) +aq 2(3CaOFe2O36H2O )+2Fe(OH)3+ aq3(CaOFe2O3)

25、+4NaAl(OH)4+aq 2(3CaOFe2O36H2O )+6Fe(OH)3+aqCaOFe2O3 + 4H2OCa(OH)3+2Fe(OH)33Ca(OH)3+2Fe(OH)33CaOFe2O31.5H2O+4.5H2O 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 熟料中的硫酸鈉和硫化鈉在溶出時(shí)全部進(jìn)入鋁酸鈉溶液。由于熟料溶出時(shí)的溫度和堿濃度都比拜耳法溶出鋁土礦時(shí)低，溶出時(shí)間也短，所以熟料中的Fe2O3SiO2不致與鋁酸鈉溶液反應(yīng)。熟料中的其他組分在溶出時(shí)大都直接轉(zhuǎn)入赤泥。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 4.3.3 溶出時(shí)原硅酸鈣的行為和二次反應(yīng) 在溶出過程中赤泥

26、中的2CaOSiO2（原硅酸鈣）可以與鋁酸鈉溶液發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，使已經(jīng)溶出來的Al2O3、Na2O，又有一部分重新轉(zhuǎn)人赤泥而損失。這些反應(yīng)稱為二次反應(yīng)或副反應(yīng)，由此造成的氧化鋁和氧化鈉的損失為二次反應(yīng)損失或副反應(yīng)損失。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 溶出過程的二次反應(yīng)主要有：2CaOSiO2+2Na2CO3+aq=Na2SiO3+2CaCO3+2NaOH+aq 2CaOSiO2+2NaOH+aq=2Ca(OH)2+Na2SiO3+aq3Ca(OH)2+2NaAl(OH)4+aq=3CaOAl2O36H2O+2NaOH+aq 2Na2SiO3+(2+n)NaAl(OH)4

27、+aq= Na2OAl2O32SiO2nNaAl(OH)4xH2O+4NaOH+aq 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 3CaOAl2O36H2O+xNa2SiO3+aq =3CaOAl2O3xSiO2yH2O+2xNaOH+aq 3Ca(OH)2+NaAl(OH)4+xNa2SiO3+aq =3CaOAl2O3xSiO2yH2O+2(1+x)NaOH+aq 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 4.3.4 二次反應(yīng)的影響因素和抑制措施溶出溫度 提高溶出溫度使溶出過程中的所有反應(yīng)都加速進(jìn)行。溶出的苛性比值 在氧化鋁濃度一定的條件下，提高溶出液苛性比值增進(jìn)二次反應(yīng)。 安徽

28、工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 碳酸鈉濃度 溶液中的Na2CO3能分解2CaOSiO2，從這一方面說它的濃度越高，2CaOSiO2分解越多。但是當(dāng)溶液中Na2CO3濃度增高到一定程度后，它又能促使Ca(OH)2轉(zhuǎn)變?yōu)镃aCO3，從而抑制了水合鋁酸鈣和水化石榴石的生成，使Al2O3的二次反應(yīng)損失大幅度降低。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 氧化硅濃度 如果溶液中SiO2濃度大于2CaOSiO2分解反應(yīng)的SiO2平衡濃度，那么就可以抑制2CaOSiO2的分解，減少二次損失。溶出時(shí)間溶出液固比熟料質(zhì)量和粒度 良好的熟料質(zhì)量是保證達(dá)到預(yù)期溶出效果的前提。熟料粒度也必須適當(dāng)。

29、 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 4.4.1 脫硅過程的意義和要求熟料在溶出過程中，由于2CaOSiO2與溶液中的NaOH、Na2CO3及NaAl（OH）4相互作用而被分解，使較多的二氧化硅進(jìn)入溶液。通常在熟料溶出液中，Al2O3濃度約120gL，SiO2含量高達(dá)4.56g/L，高出鋁酸鈉溶液中SiO2平衡濃度許多倍。在進(jìn)行分解以前，粗液必須經(jīng)過專門的脫硅處理。脫硅并經(jīng)過控制過濾后的鋁酸鈉溶液叫做精液。它的脫硅程度用硅量指數(shù)（AS）來表示。精液的硅量指數(shù)越高，表示溶液中 SiO2含量越低，脫硅越徹底。碳分分解率和產(chǎn)品質(zhì)量就會越好。要求精液的硅量指數(shù)大于400 4.4 鋁酸鹽溶液

30、的脫硅 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 目前國內(nèi)外燒結(jié)法廠已經(jīng)發(fā)展了多種脫硅流程，例如先在溫度為150170的壓煮器中進(jìn)行一段脫硅，使溶液硅量指數(shù)提高到400左右，然后再在常壓下加石灰進(jìn)行二段脫硅，使溶液硅量指數(shù)達(dá)到10001500的“兩段脫硅”流程。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 采用合成水合碳鋁酸鈣添加劑（CaOAl2O3（0.250.5）CO211H2O）進(jìn)行超深度脫硅，其效果優(yōu)于石灰，脫硅后精液的硅量指數(shù)可達(dá)5000以上，同時(shí)可以減少石灰用量，降低能耗，提高了Al2O3的回收率。超深度脫硅還能大大改善氧化鋁產(chǎn)品的物理性能，使其流動性增加，強(qiáng)度提高，細(xì)粒

31、子數(shù)量減少等，達(dá)到砂狀氧化鋁的要求。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 目前提出的脫硅方法概括起來有兩類：一類是使SiO2成為水合鋁硅酸鈉析出；另一類是添加石灰使SiO2成為水化石榴石析出。其實(shí)質(zhì)都是使鋁酸鈉溶液中的SiO2轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙舛群苄〉幕衔镎鄢?。由于SiO2脫出后的鋁酸鈉溶液的穩(wěn)定性顯著降低，故在采用低苛性比值溶出熟料的工藝時(shí)，為防止脫硅時(shí)溶液的分解，在脫硅之前須預(yù)先將粗液的苛性比值提高到1.501.55以上。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 4.4.2 鋁酸鈉溶液不加石灰的脫硅過程基本原理 它是使鋁酸鈉溶液中過飽和溶解的SiO2通過控制一定的條件使之成為

32、水合鋁硅酸鈉析出: 1.7Na2SiO3+2NaAl(OH)4+aq =Na2OAl2O32SiO2nH2O+3.4NaOH+aq 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 脫硅條件不同，析出的水合鋁硅酸鈉的化學(xué)組成和結(jié)晶形態(tài)也不同。在堿石灰燒結(jié)法粗液脫硅過程中，由于在水合鋁硅酸鈉的核心上吸附了NaAl(OH)4等附加鹽，因此，鈉硅渣的成分大體上相當(dāng)于Na2OAl2O31.7SiO22H2O。不加石灰的脫硅深度取決于水合鋁硅酸鈉在溶液中的溶解度。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 粗液中的SiO2含量是處于過飽和狀態(tài)的，所以在

33、不添加石灰的情況下就要考慮哪些因素會使SiO2過飽和的溶液更快、更深地析出含水鋁硅酸鈉。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 2影響脫硅過程的主要因素溫度 提高溫度會加大脫硅深度。在100170范圍內(nèi)，隨著溫度的升高水合鋁硅酸鈉結(jié)晶析出的速度顯著提高，溶解度降低，硅量指數(shù)不斷提高。在壓力為0.7Mpa(約170)時(shí)溶液的A/S最高。繼續(xù)提高溫度，由于SiO2的溶解度又增大，溶液的A/S反而降低，適當(dāng)?shù)靥岣邷囟瓤梢钥s短脫硅時(shí)間，增大設(shè)備產(chǎn)能，因而生產(chǎn)中多采用加壓”脫硅。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 原液Al2O3的濃度 精液中的SiO2平衡濃度是隨 Al2O3(N

34、a2O)濃度的降低而降低的。因此降低Al2O3濃度有利于制得硅量指數(shù)較高的精液。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 原液Na2O濃度 保持溶液中Al2O3濃度不變，提高Na2O濃度，亦即提高其苛性比值，使得SiO2的平衡濃度提高，硅量指數(shù)顯著降低，因此，在保證溶液有足夠穩(wěn)定性的前提下，苛性比值越低，脫硅效果越好。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 原液中 Na2CO3、Na2SO4和NaCl的濃度 它們都屬于水合鋁硅酸鈉核心所吸收的附加鹽，可以生成 3(Na2OAl2O3SiO22H2O)Na2XnH2O一類沸石族化合物。由于這一類沸石族化合物在鋁酸鈉溶液中的溶解度

35、均小于Na2OAl2O3SiO22H2O的溶解度，因此，這些鹽類的存在可以起到降低SiO2平衡濃度、提高脫硅深度的作用。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 添加晶種 添加適量的品種可以避免水合鋁硅酸鈉形成晶核的困難，促使脫硅速度和深度顯著地提高。脫硅時(shí)間 當(dāng)溫度一定，二氧化硅沒有達(dá)到平衡濃度以前，溶液的硅量指數(shù)隨著時(shí)間延續(xù)而提高。不過時(shí)間越長，反應(yīng)速度越慢，硅量指數(shù)增長速度越慢。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 4.4.3 鋁酸鈉溶液添加石灰的脫硅過程 對于中等濃度的工業(yè)鋁酸鈉溶液（A12O3 100120g/L,k1.6，SiO234g/L）來說，未添加石灰時(shí)，

36、不論是高壓還是常壓脫硅，其精液的硅量指數(shù)一般只能達(dá)到350450，滿足不了碳分過程生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的要求。當(dāng)脫硅添加一定數(shù)量的石灰時(shí)，SiO2以溶解度更小的水化石榴石固溶體析出，精液硅量指數(shù)可提高到1000以上。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 添加石灰脫硅過程的反應(yīng) 鋁酸鈉溶液添加石灰脫硅時(shí)可生成溶解度更小的水化石榴石使溶液得到深度脫硅，其反應(yīng)如下： 3Ca(OH)2+2NaAl(OH)4+xNa2SiO3+aq = 3CaOAl2O3xSiO2yH2O+2(1+x)NaOH)+aq 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 在深度脫硅的條件下，SiO2飽和度約為0.10.

37、2，在析出的水化石榴石中，CaO與SiO2的摩爾比為1530，而Al2O3與SiO2的摩爾比為510。為了減少CaO的消耗和Al2O3的損失，通常是在一段脫硅中將大部分的SiO2轉(zhuǎn)化成為水合鋁硅酸鈉分離后，再添加石灰進(jìn)行深度脫硅。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 影響添加石灰脫硅過程的主要因素溶液中Na2O濃度和Al2O3濃度 溶液中Na2O濃度升高促使水化石榴石固溶體的分解，使精液中SiO2含量升高，硅量指數(shù)降低。當(dāng)溶液苛性比值一定時(shí)，提高溶液的Al2O3濃度，精液的硅量指數(shù)明顯地降低，而且濃度越高，影響越顯著。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 溶液中Na2C

38、O3濃度 隨著溶液中Na2Oc濃度的升高，脫硅效果變壞。這是由于Na2CO3按下述反應(yīng)分解水化石榴石的結(jié)果。 3CaOAl2O3xSiO2yH2O+3Na2CO3+aq=3CaCO3+(2x)NaAl(OH)4+4NaOH+x/2(Na2OAl2O32SiO22H2O)+aq 同時(shí)Na2CO3與Ca(OH)2發(fā)生苛化反應(yīng)，增加石灰的消耗，提高Na2Oc的濃度，不利于脫硅。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 溶液中SiO2的含量 由于在脫硅時(shí)生成的水化石榴石中 SiO2飽和度很低，所以原液中SiO2含量愈高，消耗的石灰以及損失的Al2O3也越多，但是加入的CaO數(shù)量不足，則不能保證

39、精液的脫硅深度。石灰的添加量和質(zhì)量 石灰添加量越多，精液硅量指數(shù)越高，但損失的Al2O3也越多。添加的石灰應(yīng)該是經(jīng)過充分煅燒的，以提高石灰中的有效CaO含量。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 溫度 鋁酸鈉溶液添加石灰脫硅過程的速度和深度是隨著溫度的升高而提高的。當(dāng)其他條件相同時(shí)，溫度愈高，水化石榴石中SiO2的飽和度越大，溶液中SiO2的平衡濃度也越低，有利于減少石灰用量和Al2O3的損失。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 在二段脫硅過程中，第一段脫硅后的溶液，在沉降分離鈉硅渣后，溫度下降95-100，在此溫度下進(jìn)行添加石灰的第二階段的脫硅是適當(dāng)?shù)摹?安徽工業(yè)大

40、學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 鋁酸鈉溶液兩段脫硅工藝 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 從水化石榴石中回收氧化鋁 3CaOAl2O3xSiO2yH2O+3Na2CO3+aq =3CaCO3+(2-x)NaAl(OH)4+4NaOH +x/2(Na2OAl2O32SiO22H2O)+aq 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 4.5.1 碳酸化分解的目的和要求 碳酸化分解是將脫硅后的精液通入CO2，使NaOH轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓徕c，促使氫氧化鋁從溶液中析出來，得到氫氧化鋁和主要成分為碳酸鈉的碳分母液，后者經(jīng)蒸發(fā)濃縮后返回配制生料漿，氫氧化鋁則在洗滌煅燒后成為氧化鋁。 為了制

41、得純凈的氫氧化鋁，首先要求鋁酸鈉溶液具有較高的純度，但是，這樣還不能保證獲得優(yōu)質(zhì)的氫氧化鋁，還需要保持適當(dāng)?shù)奶妓峄瘲l件。如果碳酸化條件控制得不好，仍有可能得到結(jié)構(gòu)不良含雜質(zhì)高的氫氧化鋁。 4.5 鋁酸鈉溶液的碳酸化分解 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 4.5.2 碳酸化分解的原理 碳酸化分解是同時(shí)存在氣、液、固三相的多相反應(yīng)過程。發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)包括：二氧化碳為鋁酸鈉溶液吸收，使苛性堿中和氫氧化鋁析出水合鋁硅酸鈉的結(jié)晶析出； 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 水合碳鋁酸鈉（Na2OAl2O32CO2nH2O）的生成和破壞，并在碳酸化分解終了時(shí)沉淀析出。其反應(yīng)為：

42、2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O NaAl(OH)4=NaOH+Al(OH)3 2Na2CO3+2Al(OH)3 = Na2OAl2O32CO22H2O+NaOH 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 4.5.3 碳酸化分解過程中SiO2的行為 在碳酸化分解過程中， SiO2的行為具有重要的意義，因?yàn)樗P(guān)系到析出的氫氧化鋁中SiO2的含量，從而極大地影響氧化鋁成品的質(zhì)量。 實(shí)踐證明，SiO2碳酸化分解過程中的行為按分解進(jìn)程可分為三個(gè)階段。 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 第一階段：分解初期， Al(OH)3會首先析出，而溶液中的SiO2則會被剛析出的、表面活性很大和吸附能力很強(qiáng)的Al(OH)3所吸附，所以在碳分初期溶液中的SiO2會有少量析出。第二階段：分解中期，析出的Al(OH)3中SiO2含量很低。第三階段：分解末期，溶液中的SiO2會在這一階段以鋁硅酸鈉形式大量析出 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院 有色金屬冶金概論 試驗(yàn)表明，碳分初期析出SiO2是吸附在氫氧化鋁上的。因?yàn)榇藭r(shí)分解出來的氫氧化鋁粒度細(xì)，比表面積大，吸附能力強(qiáng)。碳分原液的硅量指數(shù)越低，吸附的氧化硅數(shù)量越多。這部份氫氧化鋁的鋁硅比甚至低于分解原液的硅量指數(shù)。 由于氫氧