3铝冶金与熔炼

一点说明：精练[ H ] ，Al2O3排一即可， 只防出现H2 针孔。 铝熔炼要掌握一个“静” 字；具体内容是 “防，排，溶”三字。
铝硅合金的变质处理 目的 ：改变（α（Al）＋Si）共晶体中Si的 形貌。 效果 － Si 的形貌，三维的菜花状变为树 枝状，二维的片状变为椭圆状。 方法 ： NaF ＋ Al－AlF ＋ Na 。Na溶在 铝液中。注意： 1）变质后在20 分钟内浇注完毕，否则失效。 2） 长效变质剂 － Sr ，Bi ，Te。 3） 过共晶Si的变质用P，但Na对过共晶Si无 变质效果，P对共晶Si无变质 效果。



由上述反应可见： 铝土矿高压溶出的结果Al2O3进入溶液； 而SiO2、Fe2O3、TiO2 等杂质则留在残渣 （赤泥）之中，借助于机械的方法即可使 残渣与溶液分开，从而达到把Al2O3与杂质 分离的目的。
铝土矿的溶出是将若干个预热器、压煮器和 自蒸发器依次串联成为一个压煮器组
矿石（Al2O3） 1100 ℃ Na CO 2 3 Al2O3•Na2O NaOH NaAlO2 CO2 Al（OH）3
煅烧 950~1000℃ Al2O3
900 ℃ Al3＋＋3e → Al AlO33- - 6e → Al2O3
Al
三、氧化铝生产方法
1、拜耳法生产氧化铝 拜耳法原料制备过程包括：铝矿石的破碎、 磨矿和配料。 拜耳法生产工艺对原料制备的要求：⑴参 与化学反应的物料要有一定的细度；⑵参 与化学反应的物料之间要有一定的配比和 均匀的混合。 拜尔法高压溶出时的化学反应： Al2O3· (1或3)H2O+NaOH===NaAl(OH)4
（3）易吸气：铝及铝合金的吸气能力较强（ 主要是吸氢的能力），特别是在有水蒸气 或还原性气氛的炉气中，铸锭结晶时形成 气孔和疏松的倾向性很大。 （4）容易吸收金属杂质：能直接吸收从铁质 钳蜗和工具中溶解的铁，而且还能从炉衬 的许多氧化物中和熔剂的许多氯盐中臵换 出铁、硅、锌等金属杂质。这些金属杂质 一旦进入铝熔体，便无法情除，因此防止 金属杂质的污染是铝合金熔炼时的第三个 重要问题。
拜耳法生产氧化铝的关键工艺流程：铝土 矿的浸出、晶种分解、分解母液的蒸发与 苛化和氢氧化铝的煅烧等四个工序。 （1） 铝土矿的浸出：浸出所用的循环母液中 的主要成分为NaOH． NaAlO2、Na2CO3等， 起作用的主要是NaOH。主要反应如下：


Al2O3nH2O＋2NaOH2NaAlO2+nH2O

O2 [H]
表层致密的Al2O3膜
Al2O3
静
（2）铝液中气体及夹杂物的去除（精炼过程）

目的 ：去Al2O3和[ H ]，方法：
吹泡法：形成不溶不反应的气泡。

液铝的和气泡的氢分压：[H] = k (PH2)1/2 ，当 PH2 ＝0， [H] 向气泡扩散，气泡上升将H和杂 质带出 。 采用的气体有：N2，Cl2（Cl2，N2，CO）三 气。其中Cl2能和[H] 直接反应：
（3）铝酸钠溶液的脱硅： 赤泥中的2CaOSiO2被碱分解，溶液中的硅 含量较高。 碳酸化分解率的高低取决于溶液的硅量指 数，为了达到90％的分解率，溶液的硅量 指数必须为400左右，因此在烧结法中必须 有一个单独的脱硅工序。
脱硅的基本方法有两种： 长期加热溶液，促使铝硅酸钠沉淀： 2(Na2OSiO2)＋2NaAl(OH)4 Na2OAl2O32SiO22H2O+4NaOH 所谓“白泥”（或称硅渣）。 往溶液中加入一定量石灰，使之生成溶解 度更小的铝硅酸钙： 2(Na2OSiO2)＋2NaAl(OH)4+Ca(OH) 2 CaOAl2O32SiO22H2O+6NaOH
氧化铝电解 —— 熔盐的电解法 Na3AlF6的作用

1）熔 晶温度938℃，电解温度950－970℃

2) Na3AlF6能熔10％的Al2O3
1、铝电解生产工艺流程
2．铝电解原理
冰晶石——氧化铝溶液具有离子结构，其 中阳离子有 Na+和 Al3+ ；阴离子有AlF63- ， AlF4- 和Al－O－F型络合离子。 阴极的主要反应是： Al3+络合+3e Al 炭阳极反应是： O2-络合+C-4e CO2 因此，铝电解过程的总反应式力： 2Al2O3+3C4Al+3CO2
SiO2＋2NaOH2Na2SiO3+H2O 2Na2SiO3+2NaAlO2+H2ONa2OAl2O32Si O22H2O+4NaOH Fe2O3 TiO2＋2Ca(OH)22CaOTiO22H2O CaCO3＋2NaOH2Na2CO3+Ca(OH)2 MgCO3＋2NaOH2Na2CO3+Mg(OH)2
拜 耳 法 生 产 氧 化 铝 的 工 艺 流 程
2、碱石灰烧结法生产氧化铝

处理铝硅比在4以下的铝土矿，碱石灰烧结 法几乎是唯一得到实际应用的方法。在我 国已经查明的炼铝资源中，高硅铝土矿石 占有很大数量，因而烧结法对于我国氧化 铝工业具有很重要的意义。
烧结法生产氧化铝的实质： 将铝土矿与一定量的苏打Na2CO3、石灰配成 炉料，在1200oC的高温下进行烧结，使氧化硅 与石灰化合生成不溶于水的原硅酸钙 2CaO· SiO2，而氧化铝与苏打化合生成可溶子 水的铝酸钠Na2O· Al2O3。 将烧结产物用稀碱溶液浸出，铝酸钠便进入溶 液与2CaO· SiO2分离，溶液经脱硅后再通入 CO2气体进行碳酸化分解，析出氢氧化铝，同 时还得到碳分母液Na2CO3。 碳分母液经蒸发浓缩后再用来配料处理下一批 铝土矿。因此与拜耳法一样，Na2CO3在生产 过程中也是循环使用的。
（4）碳酸化分解：此工序是把CO2炉气通入 铝酸钠溶液中，发生中和反应： 2NaOH＋CO2 Na2CO3+H2O NaAl(OH)4Al(OH)3 +NaOH 碳酸化分解后，采用过滤机将氢氧化铝与 溶液分离。氢氧化铝经洗涤后送往煅烧， 煅烧过程与拜耳法一样，母液经蒸发后返 回烧结配料。
四、金属铝的生产
2、铝合金熔炼过程的一般原理 （1）铝液中的气体和夹杂物的防止： 1）吸氢：夹杂

防
Al (固)＋ H2O － Al(OH)3 ＋ [ H ] Al(OH)3 － Al2O3 ＋ H2O Al (液)＋ H2O － Al2O3 ＋ [ H ] Al ＋ CmHn － Al4C3 ＋ [ H ] 由于溶解度变化凝固时形成针孔 [ H ] － H2
Cl ＋ [H] ＝ HCl（气），

效果最好，劳动条件最差。

此外：ZnCl2＋Al＝ALCl3 （气）＋Zn。最清 洁的是N2，但效果最差。
排

熔剂法：扩散法 原理：在液面上撒放熔剂：1）让熔剂吸附 Al2O3 ；2）破坏表面Al2O3的连 续性，使 [ H ] 。 熔剂种类：NaCl，KCl 和冰晶石 过滤 ，真空 加压： 氢气孔形成条件，Pa越大，氢气孔 越难形成。 快速凝固法。氢气孔 精练效果检查：表面观察法
第二节 铝冶金与熔炼
一、铝的性质和用途
铝的物理性质和用途
物理性质
银白色，有金属光泽 质地较软，延展性好 密度小、熔沸点低 导热性能好 导电性能较好 熔点低、硬度大
用途
易加工成各种形状， 包装、装饰工艺， 铝箔、铝丝、银粉涂料 铝锅、铝壶等加热器具 铝芯电线、电缆 用途不一的各种铝合金
二、炼铝原料和铝冶金特点


铝电解的主要设备是电解槽。电解槽是由型钢 及钢板作成敞口的长方体，内部砌筑耐火村料 ，侧面和底部均用炭块作成的内衬作为阴极， 这样的炭素村料构成的空间可以盛装电解质和 铝液。电流经由炭质槽底（阴极）与插入电解 质中的炭质阳极通过电解质，完成电解过程。
五、Al合金的熔炼与凝固
1．铝合金的熔炼特性 （1）熔化时间长：铝的熔点虽低，但熔化潜 热大，比热大，黑度小，对热的反射强，和 其它常用金属如铁、铜相比较，熔化时悄耗 热量多，因而熔化速度慢。 （2）易氧化：铝对氧有很大的亲和力，它能 很快氧化，生成氧化铝。在熔体表面形成的 氧化铝薄膜虽然有保护作用，但氧化膜一旦 破坏，氧气进入融体，便很难除去。
（1）生料烧结：由铝土矿、石灰和苏打组成 的生料中，主要成分为Al2O3、 Na2CO3 、 Fe2O3和SiO2等，主要反应如下： Al2O3＋Na2CO3Na2OAl2O3+CO2 Fe2O3＋Na2CO3Na2OFe2O3+CO2 SiO2+2CaO2CaOSiO2 生料的烧结是在回转窑中进行，烧结温度高 达1200℃，温度不够，反应就不完全。
（2）熟料溶出：熟料经破碎后用稀碱溶液溶 出，反应是： Na2OAl2O3＋4H2O2NaAl(OH)4（溶解） Na2OFe2O3+2H2OFe2O3H2O+2NaOH （水解）





原硅酸钙在水中的溶解度很小，一般进入到赤 泥中，发生二次反应。 2CaOSiO2 ＋2NaOH+H2O2Ca(OH)2＋ Na2OSiO2 2CaOSiO2 ＋Na2CO3 +H2O 2CaCO3+Na2OSiO2+2NaOH 以上反应生成的Na2OSiO2进入溶液，当溶液 中SiO2达到一定浓度时，便与NaAlO2反应， 造成二次反应的损失： 2Na2OSiO2＋2NaAlO2+4H2O Na2OAl2O32SiO22H2O+4NaOH 当浸出条件控制不当时，二次反应损失可达到 很严重的程度。必须减小二次反应的损失。
（2）铝酸钠溶液的晶种分解：晶种分解是直 接影响产品的产量和质量的关键工序。经 过滤澄情后的NaAlO2溶液，其稳定性如何 对下一步分解至关重要。

NaAlO2+2H2OAl(OH)3＋NaOH