1. 鋁的性質(zhì)和用途

(1)物理性質(zhì)

鋁是銀白色的金屬。純度99.99％的精鋁，20℃時(shí)的比重2.6989，液態(tài)時(shí)(700℃)比重2.38，熔點(diǎn)660.24℃，沸點(diǎn)2500℃。在室溫下，鋁的導(dǎo)熱系數(shù)大約是銅的1.5倍，鋁線的導(dǎo)電系數(shù)大約是銅線的60％。

鋁具有良好的延性和展性，可以拉成鋁線，壓成鋁板或鋁箔。

(2)化學(xué)性質(zhì)

鋁的化學(xué)活性很強(qiáng)，具有與氧猛烈反應(yīng)的傾向。在空氣中鋁的表面生成一層連續(xù)而致密的氧化鋁薄膜，其厚度約為2×10-5cm，這層薄膜能起到使鋁不再繼續(xù)氧化的保護(hù)作用，這就是鋁具有良好抗腐蝕能力的原因。鋁粉或鋁箔在空氣中強(qiáng)烈的加熱即燃燒成氧化鋁。

鋁可溶于鹽酸、硫酸和堿溶液，但對(duì)冷硝酸和有機(jī)酸在化學(xué)上是穩(wěn)定的。熱硝酸與鋁發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)。

鋁與鹵素、硫、碳都能化合，生成相應(yīng)鹵化物(如AlCl₃、AlF₃)、硫化物(Al₂S₃)、碳化物(Al₄C₃)。此外，鋁還有很多種低價(jià)化合物，如AlF、AlCl、Al₂S等。

氧化鋁是一種白色粉末，熔點(diǎn)2050℃，真比重為3.5-3.6。已知無(wú)水氧化鋁有幾個(gè)同素異晶體。其中α-Al₂0₃和γ-Al₂0₂對(duì)于煉鋁有重要意義。α-Al₂0₃可長(zhǎng)期保存不吸收水分，γ-Al₂0₂則相反。工業(yè)氧化鋁中通常含有Al₂0₃99％左右。

氧化鋁和堿金屬氟化物(MeFx)生成鋁氟酸鹽，其中冰晶石型的納冰晶石(Na₃AlF₆)在氧化鋁電解制鋁中用作熔劑，通常稱為冰晶石。

(3)鋁的用途

由于鋁具有比重小，導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、抗蝕性良好等突出優(yōu)點(diǎn)，又能與許多金屬形成優(yōu)質(zhì)鋁基輕合金，所以鋁在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)上應(yīng)用相當(dāng)廣泛。鋁的應(yīng)用有兩種形式：純鋁和鋁合金。

純鋁在電氣工業(yè)上用作高壓輸電線、電纜殼、導(dǎo)電板以及各種電工制品。

鋁合金在交通運(yùn)輸以及軍事工業(yè)上用作汽車、裝甲車、坦克、飛機(jī)以及艦艇的部件。此外，鋁合金還用于建筑工業(yè)作構(gòu)架等，輕工業(yè)中純鋁和鋁合金作包裝品、生活用品和家具。

2. 煉鋁原料

鋁在地殼中的含量約為8.8％，地殼中的含鋁礦物約有250種，但煉鋁最主要的礦石資源只是鋁土礦，世界上95％以上的氧化鋁是用鋁土礦生產(chǎn)的。

鋁土礦中主要含鋁礦物為三水鋁石(Al₂0₃·3H₂O)、一水軟鋁石和一水硬鋁石，后兩種的分子式都是Al₂O₃·H₂O，因此技礦物的存在形態(tài)不同，鋁土礦區(qū)分為三水鋁石型、一水軟鋁倉(cāng)型、一水硬鋁石型和混合型等多種類型。

鋁上礦中含Al₂O₃量一般為40％-70％。對(duì)于生產(chǎn)氧化鋁來(lái)說(shuō)，衡量鋁土礦質(zhì)量標(biāo)淮還有鋁硅比(礦石中全部Al₂O₃含量與SiO₂含量的重量比)，目前工業(yè)生產(chǎn)上要求鋁土礦的鋁硅比不低于3-3.5。而鋁土礦類型對(duì)拜耳法生產(chǎn)也很重要。

除鋁土礦外，可以用于生產(chǎn)氧化鋁的其他原料還有：明礬石(Na，K)2S04·Al(S0₄)₂·4Al(0H)₂、霞石(Na，K)₂O·Al₂0₃·2Si0₂、高嶺土Al₂O₃·2Si0₂·2H₂0等。

3. 鋁的生產(chǎn)方法

自1886年在冰晶石熔體中電解氧化鋁的方法實(shí)驗(yàn)成功后，此法一直是生產(chǎn)金屬鋁的唯一方法。它包括從鋁礦石生產(chǎn)氧化鋁以及氧化鋁電解兩個(gè)主要過(guò)程。現(xiàn)代生產(chǎn)鋁的原則流程如圖2.4-1所示。

氧化鋁生產(chǎn)介紹如下：

1)拜耳法生產(chǎn)氧化鋁

從鋁土礦或其他含鋁原料制取氧化鋁的方法很多，但目前工業(yè)上幾乎全部是采用堿法。堿法又分為拜耳法、燒結(jié)法、拜耳—燒結(jié)聯(lián)合法等多種流程。

自拜耳法發(fā)明以來(lái)，它一直是氧化鋁生產(chǎn)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的一種方法，目前全世界90％氧化鋁是使用拜卑法生產(chǎn)的。圖2.4-2為拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的工藝流程。

每個(gè)工廠由于條件不同，可能采用的工藝流程會(huì)稍有不同，但原則上它們沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。

從拜耳法生產(chǎn)的基本工藝流程，我們可以把整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程大致分為如下主要的生產(chǎn)工序：原礦槳制備、高壓溶出、溶出礦漿的稀釋及赤泥的分離和洗滌、品種分解、氫氧化鋁分級(jí)與洗滌、氫氧化鋁焙燒、母液蒸發(fā)及蘇打苛化等。

(1)原礦漿制備

原礦漿制備是氧化鋁生產(chǎn)的第一道工序c所謂的原礦漿制備，就是把拜耳法生產(chǎn)氧化鋁所用的原料，如鋁土礦、石灰、鋁酸鈉溶液等按一定的比例配制出化學(xué)成分、物理性能都符合溶出要求的原礦漿。對(duì)原礦漿制備的要求是：

①參與化學(xué)反應(yīng)購(gòu)物料要有一定的細(xì)度；

②參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)之間要有一定的配比和均勻混合。

因此原礦漿制備在氧化鋁生產(chǎn)中具有重要作用。能否制備出滿足氧化鋁生產(chǎn)要求的礦漿，將直接影響到氧化鋁的溶出率，影響赤泥沉降性能、種分分解率以及氧化鋁的產(chǎn)量等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

原礦漿制備工序的主要技術(shù)指標(biāo)有鋁硅比、礦漿細(xì)度、液固比、氧化鈣添加星、補(bǔ)充堿量、循環(huán)母液濃度、配料分子比等。

(2)高壓溶出

溶出是拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的兩個(gè)主要工序之一。溶出的目的在于將鋁土礦中的氧化鋁水臺(tái)物溶解成鋁酸鈉溶液，溶出效果好壞直接影響到拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；

溶出工藝主要取決于鋁土礦的化學(xué)成分及礦物組成的類型。

溶出過(guò)程的主要技術(shù)條件和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有：溶出溫度、溶出時(shí)間、Al2O3溶出率、堿耗、熱耗等。

(3)溶出礦漿的稀釋及赤泥的分離和洗滌  所謂赤泥就是溶出鋁土礦得到的泥渣，由于其中常常含有大量氧化鐵，呈紅色，習(xí)慣上稱為赤泥。

溶出礦漿稀釋的目的如下：

①溶出礦漿是由鋁酸鈉溶液和赤泥組成，是鋁土礦與鋁酸鈉溶液在高溫下反應(yīng)的產(chǎn)物。當(dāng)溶出過(guò)程結(jié)束后為了進(jìn)行后面的分解過(guò)程，溶出礦漿的穩(wěn)定性就不能太大，否則不便于分解過(guò)程的進(jìn)行。為了促進(jìn)鋁酸鈉溶液發(fā)生分解，就必須進(jìn)行溶出礦漿的稀釋。

②由于溶出后的礦漿要進(jìn)行赤泥沉降分離，對(duì)溶出礦漿進(jìn)行稀釋，可降低鋁酸鈉溶液的黏度，以便于赤泥的沉降分離。

③促使鋁酸鈉溶液進(jìn)一步脫硅。由于鋁酸鈉溶液中氧化硅的平衡濃度隨氧化鋁濃度的升高而增大，為了保證氫氧化鋁質(zhì)量，必須要求精液中氧化硅的硅量指數(shù)在300以上。對(duì)鋁酸鈉溶液的稀釋會(huì)降低SiO₂的平衡濃度，加上大量赤泥作種子，使溶液發(fā)生脫硅反應(yīng)。

由于分離后的赤泥附帶有一部分鋁酸鈉溶液，為了減小Al₂O₃和Na₂O的損失，所以要對(duì)赤泥進(jìn)行洗滌。

(4)晶種分解

晶種分解就是將鋁酸鈉溶液降溫，增大其過(guò)飽和度，再加入氫氧化鋁作晶種，井進(jìn)行攪拌，使其析出氫氧化鋁的過(guò)程。它是拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的另外一個(gè)關(guān)鍵工序。該工序?qū)Ξa(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量以及全廠的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著重大的影響。晶種分解除得到氫氧化鋁外，同時(shí)得到苛性比較高的種分母液，作為溶出鋁土礦的循環(huán)母液，從而構(gòu)成拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的閉路循環(huán)。

種分過(guò)程的主要技術(shù)指標(biāo)有：氧化鋁濃度、分子比、種分初溫、終溫、種子比、分解時(shí)間等。衡量種分過(guò)程效率的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是：種分分解率、分解槽單位產(chǎn)能以及所得的Al(OH)3的質(zhì)量。砂狀氧化鋁要求的物理性能主要取決于種分過(guò)程的控制。

(5)氫氧化鋁的分離與洗滌

經(jīng)晶種分解后得到的氫氧化鋁漿液，要進(jìn)行分離才能得到所需要的氫氧化鋁和種分母液。分離后得到的氫氧化鋁大部分不經(jīng)洗滌返回流程作晶種，其余部分經(jīng)洗滌回收氫氧化鋁附帶的氧化鋁和氧化鈉后成為氫氧化鋁成品。種分母液則返回流程中重新使用。

為了達(dá)到氫氧化鋁和母液分離的目的，可采用不同的方法，如沉降或過(guò)濾等。料漿液固比大的可用沉降法，液固比小的可以過(guò)濾。由于料漿液固比影響過(guò)濾效率，因此，在一般情況下，都先將氫氧化鋁料漿進(jìn)行濃縮，然后再進(jìn)行過(guò)濾分離。

主要技術(shù)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有：氫氧化鋁洗水量、料漿液固比、成品氫氧化鋁含水率、過(guò)濾機(jī)產(chǎn)能等。

(6)氫氧化鋁燃燒

煅燒就是將氫氧化鋁在高溫下脫去附著水和結(jié)晶水，并使其晶型轉(zhuǎn)變，制得符合電解要求的氧化鋁的工藝過(guò)程。所以氧化鋁的許多物理性質(zhì)，特別是比表面積、α-Al₂O₃含量、安息角、密度等主要決定于炬燒條件。粒度和強(qiáng)度與燃燒條件也有很大關(guān)系。炬燒過(guò)程對(duì)氧化鋁產(chǎn)品的雜質(zhì)(主要是SiO₂)含量也有影響。

煅燒產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)有：化學(xué)純度、灼減、α-Al₂O₃含量、粒度和安息角等。煅燒過(guò)程的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有：燃燒溫度、燃料消耗量、產(chǎn)量等。

(7)種分母液的蒸發(fā)及一水蘇打的苛化

蒸發(fā)的主要目的是排除流程中多余的水分，保持循環(huán)系統(tǒng)中液量的平衡，使母液蒸發(fā)濃縮到符合拜耳法溶出鋁土礦配制原礦漿的要求。

進(jìn)入生產(chǎn)流程中的水分主要有

①赤泥洗水；

②氫氧化鋁洗水；

③原料帶入的水分；

④蒸汽直接加熱的冷凝水。

除隨赤泥帶走以及在氫氧化鋁炮燒等過(guò)程排除水分外，流程中多余的水分由蒸發(fā)工序排除。

鋁土礦中含有少量的碳酸鹽(如石灰石、菱鐵礦等)，鋁土礦溶出時(shí)加入的石灰也因煅燒不完全而含有少量石灰石。碳酸鹽與高濃度苛性堿溶液作用生成碳酸鈉。鋁酸鈉溶液中的NaOH吸收空氣中的CO₂也會(huì)生成碳酸鈉。

這個(gè)反應(yīng)稱為反苛性化反應(yīng)。

拜耳法生產(chǎn)過(guò)程中的苛性堿，由于在浸出過(guò)程中產(chǎn)生反苛性化作用以及鋁酸鈉溶液吸收空氣中的C0₂，有約3％左右轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓徕c，這些碳酸鈉在蒸發(fā)過(guò)程中以固相一水碳酸鈉析出。為減少苛性堿的消耗，將碳酸鈉進(jìn)行處理，以回收苛性堿。

這就是一水蘇打的苛化。

按拜耳法生產(chǎn)lt氧化鋁，需要2.4-4.6t鋁土礦，0.10-0.20t堿，0.12t石灰和300kw·h左右的電能。在生產(chǎn)過(guò)程中堿的損失以向送去溶浸的返回濃溶液中加入苛性鈉來(lái)補(bǔ)充。

2)堿石灰燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁

堿石灰燒結(jié)法的實(shí)質(zhì)，是將鋁土礦與一定量的蘇打、石灰(或石灰石)配成爐料進(jìn)行燒結(jié)，使氧化硅與石灰化合成不溶于水的原硅酸鈣2CaO·Si0₂，而氧化鋁與蘇打化合成可溶于水的鋁酸鈉Na₂0·Al₂O₃，將燒結(jié)產(chǎn)物(統(tǒng)稱為燒結(jié)塊或熟料)用2.4-3所示。

(1)鋁土礦的堿石灰僥結(jié)

燒結(jié)鋁土礦生料的目的在于將生料中氧化鋁盡可能完全地轉(zhuǎn)變?yōu)殇X酸鈉，而氧化硅變?yōu)椴蝗芙獾脑�硅酸鈣。為此，必須了解在燒結(jié)過(guò)程中各種因素對(duì)這兩種化合物生成過(guò)程的影響。實(shí)踐證明，決定燒結(jié)最后產(chǎn)品成分的主要因素是：燒結(jié)溫度和生料的原始成分。若生料配制適當(dāng)而又有合適的燒結(jié)溫度，實(shí)際上可以完全地使氧化鋁變?yōu)殇X酸鈉，而氧化硅變成原硅酸鈣。

(2)熟料的溶出

溶出的目的是使熟料中的鋁酸鈉盡可能完全地進(jìn)入溶液，同時(shí)盡可能避免其他成分溶解，從而獲得鋁酸鈉溶液與不溶殘?jiān)��?/p>

3)拜耳—燒結(jié)聯(lián)合法生產(chǎn)氧化鋁

拜耳法和堿石灰燒結(jié)法，是工業(yè)上生產(chǎn)氧化鋁的兩個(gè)主要方法，這兩種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。

拜耳法流程簡(jiǎn)單，能耗低，產(chǎn)品質(zhì)量好，處理優(yōu)質(zhì)鋁土礦時(shí)能獲得最好的經(jīng)濟(jì)效果。但隨著礦石鋁硅比降低，它在經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)越性也隨之下降。一般來(lái)說(shuō)，礦石的鋁硅比在7以下時(shí)，拜耳法便劣于燒結(jié)法。因此，拜耳法只局限于處理優(yōu)質(zhì)鋁土礦，其鋁硅比至少不少于7-8，通常在10以上。

燒結(jié)法流程比較復(fù)雜，能耗大，產(chǎn)品質(zhì)量一般不如拜草法，但燒結(jié)法能有效地處理高硅鋁土礦(如鋁硅比3-5)，而且所消耗的是價(jià)格較低的碳酸鈉。

實(shí)踐證明，在某些情況下，采用拜耳法和燒結(jié)法的聯(lián)合生產(chǎn)流程，可以兼收兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，取得較單一的拜耳法或燒結(jié)法更好的經(jīng)濟(jì)效果，同時(shí)亦使鋁礦資源得到更充分的利用。聯(lián)合法有并聯(lián)、串聯(lián)兩種基本流程。聯(lián)合法原則上都以拜耳法為主，燒結(jié)法系統(tǒng)的生產(chǎn)能力一般只占總能力的10％-20％。

(1)并聯(lián)法

并聯(lián)法流程由兩個(gè)平行的生產(chǎn)系統(tǒng)組成。主要部分是按拜耳法處理低硅鋁土礦，輔助部分則是按燒結(jié)法處理高硅鋁土礦；燒結(jié)法系統(tǒng)的溶液并入拜耳法系統(tǒng)，以補(bǔ)償拜耳法系統(tǒng)的苛性堿損失。圖2.4-4為并聯(lián)法的工藝流程。

通常，在高品位礦石產(chǎn)區(qū)也總有一些低品位礦石。為了充分利用資源和降低成本，同時(shí)處理這兩種礦石是必要的．這就是采用并聯(lián)聯(lián)合法的基本原因。同時(shí)，并聯(lián)聯(lián)合法的燒結(jié)系統(tǒng)還不限于處理高硅鋁土礦，也可以燒結(jié)霞石、蕩土等其他鋁礦。

(2)串聯(lián)法

生產(chǎn)氧化鋁的串聯(lián)法流程如圖2.4-5所示。串聯(lián)法流程的實(shí)質(zhì)在于，全部高硅鋁土礦首先用拜耳法處理，而含有大量氧化鋁和苛性堿的赤泥再用燒結(jié)法處理，所得到的鋁酸鈉溶液并入拜耳法系統(tǒng)，一同按拜耳法的技術(shù)作業(yè)處理，而從蒸發(fā)母液中析出的一水蘇打返回?zé)�結(jié)系統(tǒng)，用以配料。

串聯(lián)聯(lián)合法流程易適用于處理中等品位鋁礦石。我國(guó)大多數(shù)鋁土礦是中等品位的一水硬鋁石型的礦石，故串聯(lián)聯(lián)合法對(duì)于我國(guó)的氧化鋁工業(yè)是很有意義的方法。

除上述串聯(lián)法和并聯(lián)法之外，還有所謂的混聯(lián)法，它是將拜耳法和同時(shí)處理拜哥法赤泥與低品位鋁土礦的燒結(jié)法結(jié)合在一起的聯(lián)合法。混聯(lián)法是處理高硅低鋁原料的有效方法。