《有色金屬材料制備與應用》課件 1-純鋁的制備

《合金熔煉與制備》純鋁的制備2鋁從哪里來？純鋁是如何制備的？純鋁的性能與分類？一題錄二三3一、鋁從哪里來？鋁在地殼中含量為7.73%，列全部化學元素含量的第三位(僅次于氧48.60%和硅26.30%)，列全部金屬元素含量的第一位，比鐵還多，F(xiàn)e:4.75%；Mg:2.0%；Ti:0.46%。圖地殼中元素的含量情況一、鋁從哪里來？我國礦產資源十分豐富。有色金屬的化學性質較為活潑，在自然界中以化合物的形式存在，造成冶煉困難，生產成本較高，所以要注意使用節(jié)約。對于鋁而言，鋁以化合態(tài)存在于各種巖石或礦石里，如鋁土礦、高嶺石、霞石等。Bauxite鋁土礦霞石粉Kaoliniteclay高嶺土二、純鋁是如何制備的？5第一階段：1807年：英國維達用電化學法分離明礬（KAl(SO4)2·12H2O，十二水硫酸鋁鉀）時發(fā)現(xiàn)鋁的存在。1825年：丹麥化學家奧斯德用電化學法分離出鋁。1827年：德國武勒重復奧斯德實驗，并加以改進。第二階段：1854年：德國化學家德維爾用鈉代替鉀還原氯化鋁，制得鋁錠，并于1855年在巴黎世博會展出。1855年：法國圣·克萊爾·德維爾用鈉從氯化鋁中還原出鋁，于1859年生產出1.9噸鋁。第三階段：1886年：霍爾[美]及埃魯[法]用電解法生產金屬鋁（霍爾－埃魯工藝：用碳質陽極電解熔于熔融Na3AlF6中的Al2O3來制取鋁）。1888年：澳大利亞卡爾·約瑟夫·拜耳發(fā)明了拜耳工藝Bayerprocess：用240℃的氫氧化鈉溶液溶解破碎的鋁土礦。|1、發(fā)展歷史二、純鋁是如何制備的？鋁化學活性強，容易和氧、鹵素結合成穩(wěn)定化合物，須將含鋁礦物通過化學處理得到純凈化合物，然后再將這些化合物用電解的方法得到純金屬。即：（1）純凈氧化鋁制備；（2）電解氧化鋁得到純鋁。鋁的生產流程|2、純鋁的冶煉工藝方法二、純鋁是如何制備的？|3、純凈氧化鋁的制備1、拜耳法：氧化鋁生產總量的95％；2、拜耳－燒結聯(lián)合法；3、堿石灰燒結法。二、純鋁是如何制備的？不同制取方法所用礦石原料不同，如：拜耳法→高品位鋁土礦。堿石灰燒結法

和拜耳－燒結聯(lián)合法→中低品位鋁土礦。霞石（Nepheline）鋁土礦Bauxite高嶺石kaolinite礦石種類|3、純凈氧化鋁的制備衡量鋁土礦的質量標準是：鋁硅比(鋁土礦中Al2O3與SiO2的重量比)。目前，工業(yè)生產上要求鋁土礦的鋁硅比不低于3～3.5。我國鋁土礦的一般特點是高鋁、高硅、低鐵，鋁硅比多數(shù)在4～7之間。第一步：將粉碎的鋁土礦放入240℃的強NaOH溶液中經過充分反應，再過濾Fe和Si氧化物組成的不溶解于水的殘留物或紅土（碳酸鹽類或含其他富鐵鋁氧化物）。第三步：

調整煅燒溫度、壓力，除去Al2O3

·3H2O中的水?？色@得不同形態(tài)的α、β或γAl2O3。如：400～600℃煅燒，得到γ－

Al2O3

。1200℃煅燒，得到α－Al2O3。*1拜耳法第二步：在50℃左右，NaAlO2偏鋁酸鈉分解得到Al2O3·3H2O

。通過加入促結晶劑，促進(Al2O3

·3H2O)沉淀。二、純鋁是如何制備的？|3、氧化鋁的制備

將粉碎的鋁土礦放入240℃的強NaOH溶液中經過充分反應并過濾得到Al(OH)3溶液，再高溫煅燒提取出Al2O3。*1拜耳法拜耳工藝流程圖煅燒Si、Fe和其他雜質二、純鋁是如何制備的？

若直接采用拜耳法時，NaOH與硅雜質反應生成Na2SiO3（硅鋁酸鈉），Na2SiO3與NaAlO2反應生成不溶于水的Na2Al2Si2O8，將降低Al2O3的收得率。

故先用石灰石CaCO3代替NaOH，與鋁土礦反應生成Ca2SiO4，濾除后得到高含量Al2O3。*2拜耳－燒結聯(lián)合法二、純鋁是如何制備的？|3、氧化鋁的制備

用Na2CO3代替NaOH。在800-1200℃下，磨碎的鋁土礦與Na2CO3反應，生成偏鋁酸鈉和CO2。

偏鋁酸鈉經進一步磨碎后溶解于90-95℃水中，Al(OH)3以沉淀物析出，浸出液體后通過加熱脫水得到Al2O3粉末。*3堿石灰燒結法二、純鋁是如何制備的？|3、氧化鋁的制備

制取原理：直流電通過由氧化鋁、冰晶石（六氟鋁酸鈉，Na3AlF6）組成的電解質溶劑，在950～970℃下使電解質溶液中的氧化鋁分解為鋁和氧。陰極上析出的鋁液匯集于電解槽槽底，陽極上析出二氧化碳或一氧化碳氣體；鋁液從電解槽中吸出，經過凈化去除氫氣、非金屬和金屬雜質并澄清后，鑄成鋁錠。霍爾－埃魯工藝:Hall-HéroultprocessHall-Héroult電解槽

電解質主要是80-90%Na3AlF6+2-8%Al2O3，添加劑AlF3、CaF3，可改善電解質性質，提高電流效率。

二、純鋁是如何制備的？|4、電解氧化鋁得到純鋁二、純鋁是如何制備的？年份非洲北美拉丁美洲亞洲西歐中東大洋洲波斯灣總計中國20171679395013783917375939991817516325662322552016168040281361343737783981197251732541031641201516854462131529823735381319745086250522897020141746458515302430351437652035483224437239402013181049091921243635253995210538832454219362012163948512052253536054323218636622485319754|5、國內外純鋁的生產情況播放視頻15三、純鋁的性能與分類？|1、力學性能與鑄造性能16三、純鋁的性能與分類？|2、雜質元素的影響通常，雜質能提高純鋁的力學性能，主要是強度、硬度；但塑性韌性下降。除Mg、Mn外，多數(shù)雜質會降低鋁的抗蝕性。

鋁中主要雜質是鐵和硅，其次是銅、鋅、鎂、錳、鎳、鈦等。17三、純鋁的性能與分類？|2、雜質元素的影響所有雜質均降低鋁的導電率，其中Mn、Mg、Zr、Cr、Li、V、Si、Cu影響最為顯著。18三、純鋁的性能與分類？|2、Fe、Si的影響（1）Fe、Si很少時，在鋁中以FeAl3和β(Si)出現(xiàn)，呈針狀或片狀，硬而脆，塑性變差；（2）還可能出現(xiàn)

-Fe3SiAl12(初生相時為枝條狀，共晶相時為骨骼狀)和β-Fe2Si2Al9(針狀)三元化合物，對塑性影響更嚴重；（3）如右圖：Fe+Si總量小于0.65%時，應使Fe%>Si%，F(xiàn)e/Si=1.0~1.5時以減少鑄錠開裂；超過0.65%，鐵硅比影響減少。當Mn存在時，F(xiàn)e熔入Al6Mn中，減少Fe的有害作用。Fe和Si是純鋁的主要雜質。三、純鋁的性能與分類？|3、分類與牌號牌號：L+數(shù)字分類：（1）L1～L7為工業(yè)純鋁；純度：99.00℅～99.85℅；用于熔制鋁合金、制作電線、電纜和日用器皿等。（2）LO和LOO為工業(yè)高純鋁；純度：99.95℅～99.996℅；用于科學研究、化工工業(yè)以及一些特殊用途的領域。（3）LO1～LO5為高純鋁，通常純度≥99.999℅強化方式：（1）冷變形是提高強度的唯一手段。