碱石灰烧结法生产氧化铝
碱-石灰烧结法生产氧化铝的原理(精)
碳酸化分解： •
铝酸钠溶液经脱硅净化处理后，通入二氧 化碳气体进行碳酸化分解，得到晶体氢氧 化铝和主要成分为碳酸钠的碳分母液，可 以循环利用，蒸发后返回再用来配料。
碱-石灰烧结法生产氧化铝的原理
碱-石灰烧结法可以处理铝硅比低的铝土矿 ，但铝硅比如果低于3.5，则会使物料流量 增加，烧结和溶出过程困难，经济和技术 指标大大恶化，所以目前碱一石灰烧结法 处理铝土矿的铝硅比要大于3.5。
•
碱-石灰烧结法生产氧化铝的原理
碱-石灰烧结法基本原理： •
碱-石灰烧结法是由碱、石灰和铝土矿组成 的炉料经过烧结，使炉料中的氧化铝转变 为易溶的铝酸钠，氧化铁转变为易水解的 铁酸钠，氧化硅转变为不溶的原硅酸钙， 氧化钛转变为不溶的钛酸钙，然后用水或 稀碱 (Na2CO3) 溶液对铝酸钠熟料进行溶出 ，得到铝酸钠溶液，将此溶液进行脱硅净 化处理后，往溶液中通入二氧化碳气体进 行碳酸化分解得到氢氧化铝晶体，再经焙 烧脱水得到氧化铝产品。
碱-石灰烧结法生产氧化铝的原理
碱-石灰烧结法核心工序：生料烧结、熟料 溶出、碳酸化分解。 生料烧结：
•
•
烧结得到熟料主要组成：铝酸钠、铁酸钠 、原硅酸钙以及钛酸钙。
碱-石灰烧结法生产氧化铝的原理
熟料溶出： •
•
由铝酸钠、铁酸钠、原硅酸钙、钛酸钙等 组成的熟料在用稀碱溶液溶出。 铝酸钠： 铁酸钠： 原硅酸钙和钛酸钙：原硅酸钙(2CaO· SiO2) 和钛酸钙 (CaO· TiO2) 不溶于水合碱溶液， 全部转入赤泥。
碱石灰烧结法生产氧化铝
Group of Alumina & Ceramics, School of Metallurgical Science and Engineering, CSU
铝酸盐炉料烧结过程
- 主要物理化学反应
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
9.
Al2O3的行为； SiO2的行为； Fe2O3的行为； Mg O的行为和TiO2的行为； 硫的危害和防治； 氟化物的影响； Na2O· 2O3–Na2O· 2O3 –2CaO · 2系； Al Fe SiO Ca O – Al2O3 –SiO2系;
只有C12A7, CA可被Na2CO3溶解； 只要体系中Na2CO3 的数量足以结合Al2O3 就不会形成铝钙化合物，而只有Na2O· 2O3 Al
铝酸盐炉料烧结过程
- SiO2的行为 • 为达到铝硅分离的目的，SiO2应转变为不含 Al2O3和Na2O，高温下与NA同时稳定存在， 溶出时不与铝酸钠溶液发生显著作用的化合 物； 可能形成的化合物有：
Na2O.Al2O3 2CaO.SiO2
NaAl(OH)4
Na2SiO2(OH)2+含硅化合物沉淀
烧结法生产氧化铝的工艺发展历史
1858年比路易.勒.沙特里提出苏打+矿石的两成分 烧结法; 1880年缪列尔提出苏打+矿石+石灰的三成分烧结法; 1902年帕卡尔德提出烧结法石灰量取决于SiO2量, 并提出钙比为2.0;碱比为2.0; 1897年别列阔夫提出芒硝烧结法;
（铁含量过高，配钙不足时， Al2O3↓， Na2O↓
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氧化铝生产3
石或锐钛矿的形态存在。物相鉴定结果表明，TiO2以
钙钛矿的形态（CaO· TiO2）存在于熟料和溶出渣中。 在熟料溶出时，CaO· TiO2基本上不参与反应。在配 制炉料时，CaO的配入量应该同时满足SiO2和TiO2 所需要的CaO量。
5.碱石灰铝土矿炉料烧结过程反应顺序
• 根据炉料在烧结过程中物相组成的变化，碱石灰铝土 矿炉料烧结过程中反应顺序为：
中灰份的数量及其组成。同时也要考虑硫所造成的碱损失，
铁铝比，这样既有利于熟料烧结成块，同时也利于熟 料窑挂窑皮的操作。生产实践经验表明，炉料铁铝比 在0.07～0.10范围较好。
• （3）碱比、钙比 烧结温度随碱比增大而升高，碱比 为0.9左右时，烧成温度范围变得很窄，不好烧结。
烧结温度随钙比升高而降低，但降低不明显。然而炉
料的碱比和钙比是由保证有用成分的最大溶出率来决 定的。
• 熟料经破碎后，用稀碱溶液在球磨机内进行粉碎湿磨溶 出，使有用成分 Na2O 和 Al2O3 转变为铝酸钠溶液，而原 硅酸钙和氧化铁形成固相赤泥，经过沉降分离，得到铝 酸钠溶液，从而达到有用成分与有害杂质分离的目的。 分离后的赤泥需经过热水充分洗涤后才能排弃，目的是
回收赤泥附液中的Na2O和Al2O3。
• 当Na2CO3、A12O3和Fe2O3同时存在时，在低温下 生成Na2O· Fe2O3的反应占优势，随着温度的升高铁
酸钠相对数量降低，而Na2O· Al2O3的数量增加。当
温度升高到900℃，Al2O3能置换Na2O· Fe2O3中的 Fe2O3生成Na2O· Al2O3。在烧结温度范围内此反应 能进行到底： Na2O· Fe2O3+ Al2O3→Na2O· Al2O3+ Fe2O3
SiO2），造成Na2O和Al2O3的损失。
碱石灰烧结法生产氧化铝
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟碱石灰烧结法生产氧化铝碱石灰烧结法是在铝土矿中配入石灰石（苏打和石灰）、纯碱、碳分母液制备生料浆，生料浆打入窑内在高温下烧结成铝酸钠熟料，用水溶出熟料得铅酸钠溶液，铝酸钠溶液脱硅得精液，通二氧化碳气体分解得氢氧化铝，分解后的母液蒸发后循环使用。
在1200℃下烧结时，铝土矿中的氧化铝与碳酸钠反应生成可溶性的铝酸钠，杂质氧化铁、二氧化硅和二氧化钛分别被烧结生成铁酸钠、原硅酸钙和钛酸钙。
要求烧结所得到的熟料具有适当的强度和可磨性，溶出后的赤泥沉降性好。
用熟料中的氧化铝和苛性碱的标准溶液出率来衡量熟料质量的好坏。
标准溶出率就是指为了使熟料中可溶性氧化铝和苛性碱能全部溶出而不进入泥渣的溶出率，通常要求96%。
优质熟料粒度均匀（大部分30～50mm），堆积密度1.20～1.30，黑灰色。
为此，要求严格的控制生料浆的配制，即铝硅比、铁铝比、碱比、钙比、水分、固定碳含量及干生料的粒度；严格控制绕结温度。
我国采用低碱高钙配方，熟料质量较好。
在用热水溶出铝酸钠时，铁酸钠水解出游离苛性碱。
原硅酸钙和钛酸钙不溶于水，与碱溶液的反应也较弱。
用稀酸溶液溶出时。
可将熟料中的氧化铝和苛性碱溶出，得到铝酸钠溶液，与赤泥中的原硅酸钙、钛酸钙和水合三氧化二铁残渣分离。
如果溶出制度不当，尽管熟料质量好，溶出过程也会因发生一系列二次反应而使溶出来的氧化铝和苛性碱又进入赤泥。
根据低铁熟料的特点，我国研究出低苛性比值在80℃下二段磨料溶出流程，氧化铝和苛性碱的溶出率都达到92%～93%，得到的铝酸钠溶液中含Al2O3 达100g/L。
溶出时由于原硅酸钙与铝酸钠溶液发生二次反应，熟料的溶出液中通常含二氧化硅达4～6g/L，硅量指数仅为20～30，需要进行专门脱硅。
通常在150～170℃下的压煮器中以水合铝硅酸钠形式进行一段脱硅，使硅量指数达400，再进行第二段加石灰常压脱硅（形成。
烧结法生产氧化铝
第二篇烧结法生产氧化铝第一章原料制备教学内容1、原料制备在烧结法生产中的重要作用。
2、矿石的破碎。
3、烧结法配料及配料计算。
4、磨矿。
5、石灰的煅烧。
6、煤粉制备。
教学要求1、理解原料制备在烧结法生产中的重要作用。
2、掌握矿石的破碎的方法、设备构造和工作原理。
3、掌握烧结法配料及配料计算。
4、了解烧结法磨矿过程、设备。
5、了解石灰煅烧反应、生产过程和石灰炉的构造。
6、了解煤粉制备及要求。
重点与难点重点1、烧结法配料及配料计算。
2、磨矿过程、设备构造和工作原理难点1、烧结法配料及配料计算2、破碎机、原料磨、石灰炉、煤粉磨的构造和工作原理。
教学时数：8学时第一节概述一、什么叫碱石灰烧结法生产氧化铝？碱石灰烧结法就是把铝土矿、补充的碱粉、石灰（小石渣）、循环碱液（即碳分蒸发母液）和拜尔法赤泥按比例配料并磨制成合格的生料浆，喷入熟料窑中在高温下烧结成熟料，熟料和调整液在湿磨中粉碎溶出，溶出液经赤泥分离得到粗液，粗液经脱硅、叶滤后得铝酸钠精液送入碳酸化分解，析出氢氧化铝经焙烧得到产品氧化铝。
赤泥经6-8次反向洗涤送赤泥堆场，赤泥洗液配调整液。
碳分母液经蒸发返回循环碱液槽。
山东铝业公司开采和购进的国内铝土矿，其中的氧化铝的矿物组成大多为一水硬铝石，即α-AI2O3²H2O或α-AI O OH，并且混矿铝硅比较低（A/S≈4），采用拜尔法生产（拜尔法生产要求矿石A/S>7），矿石中的SiO2要求高压溶出温度比较高，在溶出时SiO2都转变为含水铝硅酸钠，需要消耗大量的苛性碱。
采用碱—石灰烧结法更为有利。
但是，烧结法存在工艺复杂流程长、设备投资高、能耗高和产品质量差等缺点。
将铝土矿与一定量的纯碱、石灰（或石灰石）配成炉料并磨细，在高温下烧结，使其中的氧化铝与纯碱化合成可溶于水的铝酸钠（Na2O²AI2O3），氧化硅与配入的石灰化合成不（难、微）溶于水的原硅酸钙（2CaO²SiO2），氧化铁与纯碱化合成可以水解的铁酸钠（Na2O²Fe2O3），将烧结产物（熟料）用稀碱溶液溶出时铝酸钠（Na2O²AI2O3）——进入溶液铁酸钠（Na2O²Fe2O3）——水解放出碱、氧化铁进入赤泥原硅酸钙（2CaO²SiO2）——大部分进入赤泥，小部分溶于溶液（所以需要脱硅）。
碱石灰烧结法氧化铝生产工艺
分解母液蒸发——从过程中排除过量的水， 蒸发的循环纯碱溶液用以配制生料浆。
熟料烧结
生料的高温煅烧，制取主要含铝酸钠、铁 酸钠和硅酸二钙的熟料。 熟料烧结的最佳温度条件决定于原料的化 学及矿物组成和生了得配料比。我们在实 验室一般在1350摄氏度。 烧结完成后要磨料，磨成一定粒度的熟料。 再做下一步实验。
熟料溶出
溶出是为了使熟料中的铝酸钠转入溶液， 分离和洗涤不溶性残渣（赤泥）。 溶出：称10g熟料和碳酸钠溶液装到三口烧 瓶中，在80度条件的恒温水浴中，搅拌桨 以一定速度搅拌，溶出30min。 成分分析：全碱浓度、苛碱浓度、AO浓度、 吸光度测S
在溶出过程中，由于原硅酸钙引起的二次 反应，在溶出液中有不少的SiO2，使成品氧 化铝的质量低于规范要求。 通过测溶液的吸光度算出其硅含量。 脱硅过程实质就是是其中的SiO2转变成浓 度小的化合物沉淀析出。 脱硅法一：使SiO2成为含水铝硅酸钠析出。 脱硅法二：使SiO2成为水化石榴石析出。
烧结法的原理
用碳酸钠和石灰石按一定比例与铝土矿烧 结，可以很大程度上减轻Si2O的危害，使 Al2O3和Na2O的损失大大减少，这样就形成 了碱石灰烧结法。在处理高硅铝矿是，比 拜耳法优越。 中国现在的铝土矿品味很差，碱石灰烧结 法有很大的应用前景。
烧结法的基本流程
碱石灰烧结法生产氧化铝工艺设计
冶金工程专业课程设计题目：碱石灰烧结法生产氧化铝工艺设计班级：学号：姓名：2010年7月目录第一章碱石灰烧结法生产氧化铝设计任务及分析.................................................. - 3 -1.1铝土矿的组成及其物理化学性质..................................................................................................... - 3 -1.1.1主要含铝矿物.............................................................................................................................. - 3 -1.1.2铝土矿的物理化学性质.............................................................................................................. - 4 -1.1.3.我国铝土矿资源现状.................................................................................................................. - 4 -1.1.4其他铝矿及含铝资源.................................................................................................................. - 4 - 1.2碱石灰烧结法生产氧化铝工艺设计任务......................................................................................... - 5 - 1.3 烧结法生产氧化流程工艺分析........................................................................................................ - 5 -1.3.1碱石灰烧结法特点及技术现状.................................................................................................. - 5 -1.3.2碱石灰烧结法流程概况.............................................................................................................. - 5 - 第二章组织与分工....................................................................................................................... - 7 -2.1 项目组织 ........................................................................................................................................... - 7 - 2.2 分工 ................................................................................................................................................... - 7 -第三章课程设计正文.................................................................................................................. - 8 -3.1 总体设计方案 ................................................................................................................................... - 8 -3.1.1烧结过程工艺.............................................................................................................................. - 8 -3.1.2溶出工艺 ................................................................................................................................... - 10 -3.1.3脱硅工艺 ................................................................................................................................... - 13 -3.1.4铝酸钠溶液的碳酸化分解........................................................................................................ - 16 -3.1.5烧结法的改进途径.................................................................................................................... - 17 - 3.2工艺流程图 ...................................................................................................................................... - 18 - 3.3参考文献 .......................................................................................................................................... - 19 -第一章碱石灰烧结法生产氧化铝设计任务及分析1.1铝土矿的组成及其物理化学性质1.1.1主要含铝矿物铝土矿是目前氧化铝生产中最主要的矿石资源,世界上95%以上的氧化铝是使用铝土矿生产出来的.其主要的含铝矿物为三水铝石、一水软铝石和一水硬铝石。
氧化铝生产的基本方法
从矿山胶带输送机送来的铝土矿直接进入预均化堆场，由堆料机纵向分层平铺于堆场，取料机从横向端面取料，以完成铝土矿均化过程。
本工序设置1条均化堆场，采用长条形双料堆，料堆293m，储量为59000t,储存天数为13天。保证堆取料机运行线路的畅通，对堆、取料机每三个月进行一次小修，每六个月进行一次大修。
中 间 状
≤44μm的粒级含量/%
20～50
10
10～20
平均直径/μm
50
80～100
50～80
安息角/(˙)
＞ 45
30～35
30～40
比表面积/(m2/g)
＜ 5
＞35
＞35
密度/(g/m3)
3.90
≤3.70
≤3.70
堆积密度/(g/m3)
0.95
＞0.85
0.85＞
四、氧化铝厂方案比较
生产规模及产品方案
石灰 铝矿石 石灰石 纯碱
第一赤泥及附液
煤
灰
洗液
洗液
热水
CO2
循环碱液
结晶碳酸钠
硅渣及附液
热水
弃赤泥
蒸汽
晶种及附液
分解母液
热水
洗涤液 热水
成品氢氧化铝
去配料
三、电解炼铝对氧化铝的质量要求
电解炼铝对氧化铝的质量要求：
1)、氧化铝的纯度；
2）、氧化铝的物理性质。
氧化铝的纯度是影响原铝质量的主要因素，同时也影响电解过程的技术经济指标。
1、氧化铝中含有更正电性元素的氧化物Fe2O3、SiO2、TiO2、V2O5等，这些元素在电解过程中将首先在阴极上析出而使铝的质量降低，同时，电解质中含有磷、钒、钛、铁等杂质，还会使电流效率降低。
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烧成过程的重要性
车间投资1/3，成本1/2，能耗>1/2
Group of Alumina & Ceramics, School of Metallurgical Science and Engineering要物理化学反应
总体目标:
1. Al2O3 Na2O· Al2O3 +a q→Na Al(OH)4+a q 2. Fe2O3 Na2O· Fe2O3 +a q→Na OH+Fe2O3+a q 3. SiO2 4. TiO2 2CaO· SiO2 +a q→× Ca O· TiO2 +a q→×
铝酸盐炉料烧结过程
- Fe2O3的行为
反应：
Fe2O3+Na2CO3→Na2O· Fe2O3+CO2↑
11Na2O· Fe2O3 → Na2O· 11Fe2O3 + 10Na2O ↑
形成条件：
1. 温度：NF在1000℃下1小时内完成； 2. –Fe2O3由NF在1345 ℃高温分解而致。
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铝酸盐炉料烧结过程
- Na2O· Al2O3 的形成
反应：
Al2O3+Na2CO3→Na2O· Al2O3+CO2↑
形成条件：
1. 温度：500-700℃开始，800℃完全，升温 加速，1100℃1小时内完成； 2. [Na2CO3]/[Al2O3] ≧1 （过量的Na2CO3不分解）
1420℃ 1675℃
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铝酸盐炉料烧结过程
- 原硅酸钙的行为
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机理和影响因素
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铝酸盐炉料烧结过程
- Al2O3的行为
烧结过程可能存在的含Al2O3物相： 1. Na2O· Al2O3; 2. 0.6Na2O· Al2O3; 3. Na2O· 11Al2O3; (–Al2O3) 4. C6A, C3A, CA2, C12A7, CA
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1,铝酸盐炉料烧结过程
- 基本概念
熟料折合比
1吨氧化铝产品的熟料量
标准溶出率
Al2O3和Na2O在最好的溶出条件下的溶出率
熟料质量评价
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铝酸盐炉料烧结过程
- β–Al2O3的形成
性质:
不溶于水及稀碱溶液
反应:
11Na2O· Al2O3 → Na2O· 11Al2O3 + 10Na2O ↑
碱石灰烧结法生产氧化铝
烧结法存在的原因： 拜耳法虽然流程简单，能耗低，质量好。 但受矿石品质的限制：只能处理铝土矿， 矿石A/S要高； 烧结法可处理硅酸盐矿石；要求铝土矿 的品位不高。
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铝酸盐炉料烧结过程
- 铝钙化合物的形成
同时制备铝酸钠和铝酸钙的炉料烧结过程
不合理, 因两种物质溶出制度大不相同。
只有C12A7, CA可被Na2CO3溶解； 只要体系中Na2CO3 的数量足以结合Al2O3 就不会形成铝钙化合物，而只有 Na2O· Al2O3
铝酸盐炉料烧结过程
- SiO2的行为 • 为达到铝硅分离的目的，SiO2应转变为不含 Al2O3和Na2O，高温下与NA同时稳定存在， 溶出时不与铝酸钠溶液发生显著作用的化合 物； 可能形成的化合物有：
③ 2C2F+NA → C4AF+NF;
（铁含量过高，配钙充足时， Al2O3↓）
•
4CF+NA →NF+ C4AF+2F F+NA →Na2O ·11(Al,Fe)2O3
（铁含量过高，配钙不足时， Al2O3↓， Na2O↓
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铝酸盐炉料烧结过程
- Mg O的行为
1. 2. 3. • • 当碱和石灰配量不足时, 在熟料中可能生成尖晶石(Mg O· Al2O3)和堇青石(2MgO2· Al2O3· 5SiO2); 当石灰中Mg O<6%时, 烧结过程无变化; 当石灰中Mg O>7%时, Mg O和C2S相互作用生成镁蔷薇辉 石(C3MS2)和Ca O, 但在1200℃的高温下对熟料无影响; 若熟料中C3MS2> 50%, 炉料熔点降低, Al2O3↓， Na2O↓ 钙镁橄榄石(CMS)和镁蔷薇辉石(C3MS2 )可发生下述反应:
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铝酸盐炉料烧结过程
- 0.6Na2O· Al2O3 的形成
中性或弱氧化性气氛下可能制得
0.6Na2O· Al2O3, 而在强氧化性气
氛中只能获得Na2O· Al2O3
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铝酸盐炉料烧结过程
- 主要物理化学反应
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
9.
Al2O3的行为； SiO2的行为； Fe2O3的行为； Mg O的行为和TiO2的行为； 硫的危害和防治； 氟化物的影响； Na2O·Al2O3–Na2O·Fe2O3 –2CaO ·SiO2系； Ca O – Al2O3 –SiO2系;
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铝酸盐炉料烧结过程
- Fe2O3与Ca O的反应产物 ① 配钙足量：2Ca O· Fe2O3；
② 配钙不足： 2Ca O· Fe2O3 +Fe2O3→ Ca O·Fe2O3 ;
铝酸盐炉料烧结过程
- Fe2O3的行为
铝酸盐炉料烧结过程
- 碱比对β–Fe2O3形成的影响
[Na2O]/[R2O3]
物相组成
(NA–NF)固溶体，游离 Na2CO3
>1
=1
<1 <0.09
(NA–NF)固溶体
(NA–NF), (–Al2O3 – –Fe2O3)固溶体 (–Al2O3 – –Fe2O3)固溶体, Al2O3 , Fe2O3
1858年比路易.勒.沙特里提出苏打+矿石的两成分 烧结法; 1880年缪列尔提出苏打+矿石+石灰的三成分烧结法; 1902年帕卡尔德提出烧结法石灰量取决于SiO2量, 并提出钙比为2.0;碱比为2.0; 1897年别列阔夫提出芒硝烧结法;
1916年提出石灰石+矿石的两成分烧结法;
Ca O· Mg O· SiO2+Na2O· Al2O3=Na2O· Ca O· SiO2+Mg O· Al2O3
• 同时存在K2O和Mg O时, 由于生成KMS5-KAS4系固溶体, 炉料熔点降低, 烧成温度范围变窄, Al2O3↓， Na2O↓ ;
铝酸盐炉料烧结过程
-硫的危害和防治
危害:
1. 所有S形成Na2SO4而损失碱: 3.4 Kg-Na2CO3/Kg-S; 2. Na2SO4 与Na2CO3形成低熔点共晶(826℃):
– – – 降低Na2CO3活度; 阻碍Ca O参与反应; 烧结带后部形成后结圈, 在冷却机内或入口处凝结析出;
3. 增大物料流量; 4. 影响蒸发作业。
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铝酸盐炉料烧结过程
- 原硅酸钙相变特性
• 冷却过程中–2CaO.SiO2 –2CaO.SiO2 体积膨 胀，熟料自粉碎； • 许多物质阻碍上述相变，包括可与β–2CaO.SiO2形 成固溶体，或在冷凝时成为玻璃相将之包裹； • Fe2O3含量很高的熟料，由于其中溶解有Fe2O3和 Na2O, 主要以’ – C2S , B2O3也有此作用； • 温度过低，时间过短，配钙不足可能导致 `- C2S 出现。