有色金属冶金学
主讲教师：邹兴 曹战民 教材: 邱竹贤主编： 《有色金属冶金学》 ，冶金工业出版社，2007 参考书 ： 1. 杨重愚： 《轻金属冶金学》 2. 彭荣秋： 《重金属冶金学》 3. 彭荣秋： 《稀有金属冶金学》 4. 卢宜源等： 《贵金属冶金学》 绪 论 到目前为止，已知元素有 106 种，其中金属 81 种、准金属 8 种、非金属 17 种。其中有 12 种元素为人工方法合成。 金属通常分为黑色金属和有色金属两大类。 1. 黑色金属包括铁、锰和铬三个元素以及它们的合金。 2. 有色金属是指除铁、 锰和铬以外的所有金属和准金属锰粉。 有色金属又按其密度、价格、在地壳中的储量、分布情况及发 现使用的早晚又分为五大类： 1）轻有色金属：一般是指密度在 4.5g.cm 以下的有色金属， 包括铝、钾、钠、钙、镁、锶、钡 2）重有色金属：密度在 4.5g.cm 以上的有色金属，包括铜铅 锌镉、 镍钴锑锡、汞铋等。 3） 贵金属： 金银及铂族元素 （钌铑钯 锇铱， RuRhPd OsIrPt） 4）准金属：硼硅砷硒碲 B Si As Se Te）它们的性质（物理和化 学性质）是介于金属与非金属之间。 5） 稀有金属： 在自然界含量少、 分布稀散、 发现较晚的金属， 包含约 50 种金属，如：锂铷铯铍、铪、钨钽钼 铌、钛钒铼、镓铟铊锗、稀土元素及人造元素 等。
第二节
一、 氧化铝的质量Fra bibliotek氧化铝生产方法
1、氧化铝的纯度（化学质量） 氧化铝纯度严重影响电解铝质量和电流效率。 A．氧化铝中的主要杂质 氧化硅、氧化铁、氧化钠和水等。 B．杂质在氧化铝电解过程中的影响 铁和硅因比铝更容易在阴极上析出，所以含这些杂质时，就会 因它们的析出影响铝的纯度；氧化钠因与电解液中的氟化铝反应生 成氟化钠和氧化铝破坏了电解质的组成。 3Na2O + 2AlF3 = 6NaF + Al2O3 水可以和氟化物反应生成氟化氢。 C．氧化铝的质量标准 国标规定一级氧化铝杂质含量 SiO2 0.04% 2、氧化铝物理性质 A．物理性质 包括 -Al2O3 含量、真比重、粒度、比表面积、磨损系数、安 息角。 B．影响 这些物理性质影响氧化铝的溶解速度、流动性、粉尘大小、保 温性能、吸附氟化氢能力等。 粒度是一个重要指标，它会影响氧化铝的流动性、溶解速度、 粉尘大小、氟化氢吸附性能等。 根据粒度大小，氧化铝可分为砂状、中间状和粉状氧化铝，砂 Fe2O3 0.04% Na2O 0.04% 灼减 0.8%
2005 全球产量 中国产量 全球消耗量 中国进口 中国需求量 6118 774 6258 105 2007 7563 1965 7518 333 2012 9353 4165 9196 502 4020 4437
万吨
2013
第一节
一、种类
铝矿石
氧化铝生产的原料是铝矿石， 铝矿石的种类很多， 有 250 多种， 其中主要有： 铝土矿 明矾石（K2SO4.Al2(SO4)3.2Al2O3.6H2O） 霞石（(Na,K)2O.Al2O3.2SiO2） 粘土等。
从图可以得出以下几点结论（特点） ： 1. 每个温度下的溶解度等温线都包括不同的两部分，左半部分 和右半部分。左半部分的平衡固相在 100oC 以下是三水铝石，大于 100oC 是一水硬铝石；右半部分的平衡固相在 130oC 以下是带结晶 水的结晶铝酸钠，大于 130oC 为无水铝酸钠。 2. 随温度升高，三水铝石在氢氧化钠溶液中溶解能力增加；铝 酸钠的溶解度一般也增加。 3. 在同一温度下，三水铝石的溶解度随氢氧化钠浓度增加而增 加；而铝酸钠溶解度随氢氧化钠浓度增加而降低。 4. 铝酸钠溶液中的苛性比（k）在 Na2O-Al2O3-H2O 系直角坐 标状态图上，可用通过坐标的原点的直线表示。 5. 等温平衡线中都有一个峰值，在峰值的左边，随着碱浓度的 降低，平衡图上对应的铝碱比迅速降低（或碱铝比迅速增加） ，氢氧 化铝不断析出，可以获得氢氧化铝产品，所以工业一般要将铝土矿 的碱浸液稀释，这也是拜耳法的理论基础。
二、铝土矿 1、种类 铝土矿是氧化铝生产的主要原材料，国内外 95%的氧化铝是用 铝土矿生产的，种类有： 三水铝石（-Al2O3.3H2O） 一水软铝石（-Al2O3.H2O） 一水硬铝石（-Al2O3.H2O） 2、性质 铝土矿中的三水铝石和一水软铝石处理较容易，一水硬铝石处 理较难。 3、分布 铝土矿资源世界不缺，中国缺。按已探明的储量，全世界可以 用 200 年（230 亿吨） 。截至 2011 年底，中国铝土矿查明资源储量 38.7 亿吨，且主要为一水硬铝石，三水铝石在福建、河南和广西 等地有少量发现，储量很少
4、组成 铝土矿的主要化学成分是 Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2，其中含 氧化铝约 50-70%；少量的有 CaO、MgO、硫化物；微量的有镓、 钒、磷、铬等。 三、铝土矿中的主要杂质
主要杂质为：SiO2、Fe2O3、TiO2。 1．氧化硅（SiO2） 氧化硅是主要的有害成分，是氧化铝生产中造成碱和氧化铝损 失的主要根源。在氧化铝生产中评价铝土矿的质量是以铝土矿中氧 化铝和氧化硅的重量比（铝硅比）为标准。 1）铝硅比（ A / S） 铝土矿中氧化铝和氧化硅的重量比称为铝硅比，用 A / S 表示。 铝硅比越大，铝土矿的质量越好。 2）铝土矿质量与铝土矿处理方法的关系 当铝硅比 A/S 7 时，该矿石可以采用拜耳法处理，当然也可 以采用烧结法处理；当 3.5 这时已无实际意义。 我国的一水硬铝石矿属高硅矿， 铝硅比一般在 4 ~ 7 之间， 不适 合单独采用拜尔法处理，只能采用烧结法或联合法等。 2．三氧化二铁 三氧化二铁在矿石处理过程中，只有极少部分以铁酸钠的形式 进入溶液，但在以后的稀释工艺中又水解除去，所以对过程的影响 比二氧化硅要小得多。我国的一水硬铝石中三氧化二铁含量在 5% 以下，属低铁矿，所以我国的铝土矿是属高铝、高硅、低铁矿，不 适合拜尔法，而国外的是属低硅高铁矿，很适合拜耳法生产。 3．氧化钛 氧化铁是杂质，加石灰，生成钛酸钙除去。另外，钒、镓在矿 石处理过程中有积累， 镓以 NaGa(OH)4 形态进入溶液， 钒以 Na3VO4 形态进入溶液，二者加石灰可以除去并回收。 A/S 7 时，就不宜用拜耳法处理， 但可以采用烧结法处理；当 A/S 3.5 时，可以采用烧结法处理，但
第四节
一. 拜耳法循环过程
拜耳法生产氧化铝
拜耳法是奥地利科学家拜耳（Bayer）在 1887 提出而得名，当 时拜耳提出了两项专利也就是拜耳法的两个基本过程： 一是 Na2O 和 Al2O3 的摩尔比（苛性比）为 1.8 的铝酸钠溶液在 常温下， 加入 Al(OH)3 种子， 不断搅拌， 溶液中可不断析出 Al(OH)3， 直到 k 达 6 为止，后来称这一过程为种分过程。 二是已析出 Al(OH)3 的种分母液，在加热时，又可以溶解铝土 矿中氧化铝水合物，交替使用这两个过程就能够不断分解铝土矿， 不断得到 Al(OH)3 和不断使 NaOH 循环使用，构成拜耳循环。 拜尔法生产氧化铝的流程包括三个步骤：铝土矿溶出，铝酸钠 溶液种分，氢氧化铝煅烧。 用化学反应过程表示拜耳循环过程：
式中 Na2O 包括 NaAlO（ 中的 Na2O 和溶液中游离 NaOH 2 NaAl(OH)4） 中的 Na2O；Al2O3 为 NaAlO2 中的 Al2O3。k 是铝酸钠溶液的一个 重要参数。 二、Na2O—Al2O3—H2O 系状态图 在研究铝酸钠溶液的水解及结晶过程之前，先了解氧化铝及铝 酸钠在氢氧化钠水溶液中的溶解度与氢氧化钠浓度和温度的关系是 必要的，研究结果可以用 Na2O -Al2O3 - H2O 系平衡状态图表示。
第三节
一. 铝酸钠溶液的组成
铝酸钠溶液
1. 铝酸钠碱性溶液的结构及特点 铝酸钠在碱性溶液中可以离解为钠离子（ Na+）和铝酸根离子 （ Al(OH)4- ） ，这已为大量实验结果所证实，人们也发现铝酸钠溶 液的性质与常见电解质溶液有很大的差别，如粘度、电导性、过饱 和溶液的稳定性等具有明显的特殊性，这一切都不能用经典的电解 质溶液理论来解释。铝酸钠溶液的性质不同于一般电解质溶液是由 其结构特点决定的。 特点就是： 铝酸根离子在溶液中的存在形态 溶液的温度、pH 值及铝酸钠浓度等有关。 据文献报道铝酸钠浓度较小以及 pH 值大于 13 的溶液中，主要 以 Al(OH)4-形式存在；在温度较高或较浓的铝酸钠溶液以及 pH 小 于 13 时，则发生 Al(OH)4-离子脱水，并聚合为 Al2(OH)62-二聚体离 子。 2. 铝酸钠溶液的苛性比 k 苛性比：是指铝酸钠溶液中 Na2O 与 Al2O3 的摩尔数之比： 与
三水铝石（-Al2O3.3H2O） ： 140～145oC，溶出碱浓度 100～130g/L(Na2O) 一水软铝石（-Al2O3.H2O） ： 240～260oC，溶出碱浓度 180～240g/L(Na2O) 一水硬铝石（-Al2O3.H2O） ： 240～300oC，溶出碱浓度 180～250g/L(Na2O) 2）杂质的溶出 除铝溶出外，矿石中的硅酸盐及其氧化物也将与氢氧化钠生成 硅酸钠进入溶液。 A. 硅的溶出
用工艺简图表示拜耳循环过程：
二、拜耳法工艺流程
三、铝土矿矿浆预脱硅 矿浆进行溶出反应之前，须经预热。为防止矿浆在加热过程中 形成的水合铝硅酸钠 （称硅渣） 在预热器的管道和器壁上生成水垢， 须经预脱硅：一般是 95oC，保温 6～8 小时，使部分硅形成水合铝 硅酸钠（称硅渣）除去。 四、铝土矿的溶出 1、铝土矿溶出的主要反应 1）氧化铝的溶出 一般采用加温加压溶出，根据矿石的种类不同，压力和温度也 不同。
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第一章
氧化铝生产(6 学时)
概 况
氧化铝生产和铝电解是现代铝冶金工业的两大组成部分。 氧化铝是铝电解用的原材料，铝电解是冶炼金属铝的方法，我将讲 解氧化铝生产和铝电解这两部分。我国铝工业是在解放以后发展起 来的，特别是近三十发展非常快，不论是品种、质量、还是生产技 术水平都有很大的提高，但是与世界先进水平相比，我国的氧化铝 生产在技术装备和技术经济指标还是比较落后的，尤其突出的是能 耗高、自动化程度和劳动生产率低，所以还有很多工作需要我们去 做。 全球冶金级氧化铝供需情况表