氧化铝制取原理
拜耳法：氧化铝生产总量的95％ 碱石灰烧结法 拜耳－烧结联合法
铝土矿 Bauxite
高岭石 kaolinite
霞石 （Nepheline）
拜耳法：高品位铝土矿 碱石灰烧结法和拜耳－烧结联合法：中低品位铝土矿
拜耳法
将粉碎的铝土矿放入240℃的强 NaOH 溶液中提取出Al2O3
第一步： 将含有Al2O3的NaAlO2溶解于水中，滤除Fe和Si 氧化物组成的 不溶解于水的残留物或红土。
过渡相有确定的成分和晶体结构，与基体共格或部分共格，有一 定结晶学位向关系，尺寸比GP区稍大。 过渡相结构与基体存在较大差异，需要较大的形核功才能形核。 为了降低形核功（应变能、界面能），过渡相常在位错、小角晶界、 层错、空位团以及GP区等处不均匀形核。因此，其形核速率与基体 中位错密度有关。 300000× θ″相：圆碟片状，Φ30nm×2nm；正方 点阵，a＝b＝0.404nm，c＝0.768nm。为均 匀形核、分布均匀，与基体完全共格，位向 关系为{100}θ″//{100}基体；θ″相周围比GP区 存在更大的共格应变，故其强化效果大于GP 区。 θ′相：圆碟片状，Φ100nm×几十 nm； 正方点阵，a＝b＝0.404nm，c＝0.58nm。与 基体部分共格，位向关系为{100}θ′//{100}基 体；成分为Cu2Al3.6，接近于平衡相θ （CuAl2）。 α基体上析出θ”相
⑶合金元素在铝合金中的固溶强化效果
退火态高纯铝的屈服强度很低，为7～11 MPa。
Mn 和 Cu 含量为 0.5%时，强化效果最好，超过后将形成 Al6Mn 相 或不溶的Al-Cu-Fe 化合物相。 Mg 的强化效果最显著；锌的强化效果最差。
⑷铝合金的合金化 简单二元系铝合金，如Al—Mg、Al—Si和Al—Mn等，加入 的合金元素也有明显的溶解度变化，但热处理强化效果不大，只 能以退火或冷加工状态使用（即非热处理强化型铝合金）。 由Zn、Mg、Cu、Si、Li等构成的多元系铝合金，如Al— Zn—Mg—Cu系，加入的合金元素既可溶解于铝中形成固溶体， 又可与铝形成二元或三元化合物，并且这些元素在Al中的溶解度 随温度降低而剧烈减小，具有显著的热处理强化效果，故含有这 些元素的铝合金可通过热处理强化，为热处理强化型铝合金。 Cr、Ti、Zr等在铝中的溶解度很小，但明显改善合金强度和 抗蚀性、抑制再结晶和细化晶粒。但铝合金的细晶强化效果不显 著。 Reh=Reh0+kd－0.5 式中 k = 68 MPa · －0.5 μm
铝的净化：电解铝中通过含有碳粉、电解质、氢气等杂质。用 石墨管将 Cl2 吹入铝的熔池中形成 AlCl3 ，AlCl3与杂质一起浮 出去除。
1.3 铝的物理冶金
密度 (20 ℃) ： 2.70 g.cm-3 熔点 ： 660 ℃ 100 ℃时的热容： 0.2241 cal.g-1K-1 / 938 Jkg-1K-1 熔化潜热： 94.7 cal.g-1 / 397.0 kJ.kg-1 20 ℃ 时的电导率：64.94 (相当标准退火铜的百分数) 热导率 ： 0.5 cal.sec-1cm-1K-1
Al－4%Cu铸态组织及淬火态组织
⑴时效分解（析出）过程和产物
时效分解【析出，脱溶（或沉淀）】：过饱和固溶体中析出一 个成分、结构与基体均不同的新相，或由溶质原子富集形成亚 稳过渡相的过程。属于固态相变。
过饱和固溶体 分解产物 GP区 过渡相（中间沉淀相） 平衡相
Al－Cu合金： 过饱和固溶体随着时效时间的增加，将发生下列分解： α过 → GP区 → θ″ → θ′ → θ 其中 G· P区、θ″、θ′为亚稳定相 （ θ″又称为GPⅡ区） 随着时效时间的延长，组织变化过程为： α过 → α＋ GP区 → α＋ θ″ → α＋ θ′ → α＋ θ
年度
年度
产量
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1995
1996 1997 1998 1999
186
190 217 243 259
电解铝产量/万吨
2000
2001 2002 2003 2004
279
337 451 554 668
2005
2006 2007 2008
780
935 1255 1317
世界电解铝产量
世界与中国电解铝产量
年度
铝的制取原理
霍尔－埃鲁工艺: Hall-Hé roult process 制取原理：直流电通过由氧化铝、冰晶石组成的电解质溶剂， 在950～970‴下使电解质溶液中的氧化铝分解为铝和氧。阳极 析出CO2 ，阴极还原出Al。
电解槽包括：碳消耗阳极、熔融冰晶 石氧化铝电解质、铝液池。 电解条件：温度950℃、电流250 kA、 电压4.5V。 生产能力：日产1800 Kg。
1.3.1 合金元素与铝的作用 ⑴元素在铝中的溶解度
Mg, Cu, Zn 和 Si 在铝 中固溶度较大，是常 用合金化元素。 Cr, Mn 和 Zr 与铝形成 化合物，常用于控制 晶粒尺寸。
Zn（31.6→2） Mg（17.4→1） Cu（5.65→0.5） Li（4.2） Mn（1.82） Si （1.65） Ag（56.5） Ge（7.2） Ti（1.3）
主要公司: （2007年）
世界原铝产地： 北美、西欧（德、法）、中、俄、澳大利亚、巴西。 俄罗斯铝业联合公司【第一大铝公司】420万吨（12%） 力拓公司（加铝）： 【第二大铝公司】 约400万吨 美国铝业公司【Alcoa，第三大铝公司 】约380万吨 中国铝业公司：【第四大铝公司】 288 万吨 雷诺兹金属公司[美] 凯撒铝及化学公司[美] 波施涅铝工业公司[法] 德国联合工业公司 日本轻金属公司 澳大利亚科马尔科铝业公司 APA公司【加拿大铝业公司、瑞士铝集团、法国佩希公司 】
1.3.2 铝合金的时效强化机制
固溶时效处理的一般步骤 ①固溶： 将铝合金加热到单相固溶体区 （固溶线以上、固相线以下），使 合金元素溶入，获得成分均匀的固 溶体。
②淬火： 快冷到室温获得单相过饱和固 溶体。 ③时效： 过饱和固溶体加热到室温以上 某一温度，使其分解形成细小分散 沉淀相。
自然时效：室温下时效 人工时效：在高于室温进行时效
Hall-Hé roult电解槽
由于比重的差别在阴极上析出的铝液汇集于电解槽槽底，而在阳极上析出二 氧化碳和一氧化碳气体，铝液从电解槽中吸出，经过净化去除氢气、非金属 和金属杂质并澄清后，铸成铝锭。
电解质： 80-90%NaAlF6, 2-8%Al2O3。添加剂AlF3、CaF3。
电极反应机理 阴极 阴离子在阴极表面失去电荷形成 NaF。 阳极 溶于电解液中的Al2O3 在阳极区形成铝离子和AlO33- ，铝离子 得到电荷形成金属 Al 并放出氧 ， 氧与C 形成 CO2。
G P区是溶质原子富集的、排列有序的、 与基体共格的原子束，均匀分布在基体上。其 数量完全取决于淬火后存在的空位浓度，与基 体中非均匀分布的位错无关。因为溶质原子可 借助空位进行迁移富集，空位越多，富集迁移 越易进行；凡能提高空位浓度的因素均能促进 GP区的形成，如：提高固溶温度，加快冷却 速度，淬火后固溶体中存在较多空位，这有利 于获得尺寸细小、数量多GP区。
2004 2005 2006 2007 2008
应用
Construction & Equipment
Containers & Packaging
Aerospace
Automotives
1.2 铝的制取
制取方法的演化
木炭和铝土（氧化铝） 钾汞齐 铝汞齐 氯气 氯化铝 隔绝空气蒸发 一种金属
1807年：英国H· 维达用电化学法分离明矾时发现铝的存在。 1825年：丹麦化学家奥斯德用电化学法分离出铝。 1827年：德国武勒重复奥斯德实验，并加以改进。 1854年：德国化学家德维尔用钠代替钾还原氯化铝，制得铝锭，并于 1855年在巴黎世博会展出。 1855年：法国圣· 克莱尔· 德维尔 用钠从氯化铝中还原出铝，于1859年生 产出1.9吨铝。 1886年：霍尔[美]及埃鲁[法]用电解法生产金属铝（霍尔－埃鲁工 艺：用碳质阳极电解熔于熔融Na3AlF6中的Al2O3来制取铝） 1888年：澳大利亚卡尔· 约瑟夫· 拜耳发明了拜耳工艺 Bayer process：用240℃的氢氧化钠溶液溶解破碎的铝土矿 1910年：铝产量达45000吨
①GP区：溶质原子在基体 {100}面上偏聚构成的
圆盘形片 A.Guinier和G.D.Prestor于1938年研究AlCu合金 自然时效时发现
圆盘形片尺寸：Φ5～10nm×0.4～0.6nm，数 GP区附近基体晶格变化 量1014～1016/cm3 750000× 晶体结构： 与基体α相结构相同（fcc） 界面：与α相完全共格。
第二步： 在50℃左右， NaAlO2 分解得到Al2O3 · 2O 。通过附加促结 3H 晶剂 ，促进(Al2O3 · 2O) 沉淀。 3H 第三步： 调整煅烧温度、压力，除去Al2O3 · 2O中的水。可获得不 3H 同形态的α、β或γ Al2O3 。 400～600℃煅烧，得到γ－ Al2O3 。 1200℃煅烧，得到 α－Al2O3。
拜耳工艺流程图
拜耳－烧结联合法
先用石灰石与铝土矿反应生成 Ca2SiO4，滤除后得到高含量Al2O3。
若直接采用拜耳法时，NaOH 与硅反应生成Na2SiO3， Na2SiO3 与 NaAlO2 反应生成不溶于水的硅铝酸钠，将降低Al2O3的收得率。
碱石灰烧结法 用Na2CO3 代替 NaOH 。在800-1200 ℃下，磨碎的铝土矿与 Na2CO3 反应， 生成铝酸钠 和 CO2。 铝酸钠经进一步磨碎后溶解于90-95℃ 水中， Al(OH) 3 以沉 淀物析出，浸出液体后通过加热脱水得到Al2O3 粉末。
第1章
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5