轻金属冶金学教案.docx

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1、重 庆 科 技 学 院轻金属冶金学教案授课教师：田应甫，周雪娇授课对象：冶 金 2023授课地点：周二(3,4)E307，周四(1,2) A112 授课时间：20232023 年度第 2 学期 518 周轻金属冶金学教案课 程 名 称授 课 教 师课 题轻金属冶金学田应甫，周雪娇授课类型授课时间讲授2 学时绪论授课对象授课地点冶金 2023周二(3,4) E307周四(1,2) A112教材及参考资料推举教材：杨重愚，轻金属冶金学，北京：冶金工业出版社，2023 年推举参考书：1. 杨重愚，氧化铝生产工艺学，北京：冶金工业出版社，1982 年2. 邱竹贤，铝电解，北京：冶金工业出版社，1982

2、 年3. 徐日瑶，镁冶金学，北京：冶金工业出版社，1990 年教学目的与要求：了解轻金属分类依据、轻金属的性质和用途以及我国轻金属工业状况。教学重点和难点：我国铝土矿特点及我国铝工业技术现状。教学方法：讲授，多媒体教学教学内容与设计： 轻金属分类依据 轻金属的性质和用途 我国轻金属工业状况一、轻金属分类依据比重3.5,包括Al, Mg, 碱金属和碱土金属, 半金属B, Si, 金属Ti物理化学性质和冶炼技术特点1. 负电性很强,难以用C 复原来制备金属2. 不能通过电解其盐类的水溶液制备金属3. 主要以熔盐电解方法制备金属4. 需特地生产其纯化合物作电解原料二、铝铝的特性银白色比重小:2.7g

3、/cm3导电性好:2635 (10-4 1 cm-1)导热性好: 0.50(cal/cm S K)良好的延展性和其合金的高比強度抗腐蚀性易着色即轻、强、美、可再生利用。1全球金属产量其次位，2400 万吨/年，仅次于钢；2我国 2023 年：342.5 万吨425 万吨，超过美国，全球第一。铝的用途1. 民用 交通运输飞机、高速列车、地铁、船舶、汽车等建筑高层建筑、室内装修、型桥梁电力电子电容铝箔、PS 版、电线电缆、电磁屏蔽包装食品、医用、饮料2. 国防先进战机巡航卫星太空站高机动战车深水等氧化铝及其化学制品的用途铝电解制备金属铝：90%以上多品种氧化铝： 电子、石油、化工、耐火材料、陶瓷、

4、磨料、防火剂、造纸、制药等氧化铝陶瓷的用途工程陶瓷：叶片、转子、活塞、内衬、喷嘴、切削工具、 研磨膏、磨具材料、补强材料热功能：高温用坩锅、锥体、窗口、耐热构造材料、高温炉、集成电路基片 电子功能：集成电路基片、散热性绝缘衬底、钠硫电池磁学功能：磁流体发电用电离气体通道光学功能：高压钠灯管、激光窗口、窗口、卫星整流罩和天线窗、雷达保护罩化学功能：化学传感器、催化剂及其载体吸声功能：吸声板生物功能：人造骨、齿、牙根 核功能：核反响堆屏蔽材料铝材制备流程金属铝在各主要工序能耗分布103铝电解氧化铝采矿17铸造70铝土矿资源状况国外铝土矿资源状况其他国家希腊26%2%澳大利亚18%巴西牙买加 中国圭

5、亚那3%印度3%几内亚31%7%8%2%中国铝土矿储量汇总表我国局部铝矿石的化学成分和矿物组成平均值三、中国铝工业概况 产业规模氧化铝产量居世界其次，电解铝产量连续5 年居世界第一 生产厂家数十家氧化铝厂、89 个电解铝厂、 1100 多个铝加工厂2023 年产量：851 万吨AO， 779 万吨原铝，进口 702 万吨AO2023 年产量1370 万吨AO其中化工用 77.8 万吨 、935 万吨原铝、 进口 690 万吨AO2023 年产量生产 19,456,549 吨AO ，同比增长42%；生产 12,558,606 吨原铝, 同比增长34.3%；进口AO 560 万吨左右。非中铝的氧化

6、铝企业山西省：山西交口、山西同德、山西鲁能晋北、山西阳泉等河南省：开曼铝业、东方期望、将来铝业、安铝业、宝丰铝业、汇源化工等山东省：信发华宇、山东魏桥、南山龙口等还有广西、贵州、重庆等地有大量的非中铝氧化铝企业中国铝工业技术现状1） 氧化铝提取能耗比国外高 2-3 倍，国内所需氧化铝的30%仍需进口；2） 铝电解平均能耗比国外高 20%、污染较严峻。为什么?国内外铝土矿资源特点比照国外(1) 三水铝石或一水软铝石 (2)低铝、低硅，可磨性好 (3)溶出性能好:可承受低温、低碱溶出工艺，能耗低。国内(1) 一水硬铝石 高铝、高硅,可磨性差 溶出性能差： 需承受高温、高碱溶出工艺，能耗高。国内外铝

7、土矿资源特点比照铝电解过程物料变化示意图铝电解的直接材料与能源消耗四、镁1） 目前我国自行设计的 200kA 以上大型预焙槽；2） 吨铝的直接材料与能源消耗设计值及参考价格。镁的性质 比重小 化学性质活泼 电和热的优良导体在我国继铝、锌、铜、铅后，成为第五大有色金属。镁的用途 生产难熔金属的复原剂 铝合金 球墨铸铁和钢 钢中脱硫 构造材料 高储能材料中国镁工业n 电解法厂抚顺铝厂镁分厂民和镁厂包头光华镁厂n 硅热法厂数百家2023 年，原镁产能 45 万吨，产量 26.8 万吨，出口 20.9 万吨 2023 年，原镁产量 45 万吨. 2023 年仅 9 个厂产量大于 10,000 吨/年五

8、、锂锂(Lithium)的性质q 瑞典化学家于 1817 年在铁长石中觉察;q 1855 年电解熔融LiCl 得到金属锂;q 在各种碱金属中，锂的熔点和沸点之间的差距最大，锂的热容量最大(0.941) ，液体 Li 适合作为导热介质；锂和镁的化学性质相像；导电率约为铜导电率的25%；锂的塑性类似铅，可以轧制成薄片并拉成锂线。锂的应用原子能、航天和军事方面热核武器的爆炸物;反响堆的传热介质或冷却剂;反响堆的辐射屏蔽、把握棒或中子减速剂;航天工程构造材料;储氢材料等冶金工业：电解铝的添加剂;合金的组成元素;精制金属的复原剂;焊接剂等玻璃陶瓷工业空气调整和枯燥：溴化锂、氯化锂和氢氧化锂等锂化物有机合

9、成和石化工业：高性能锂基润滑脂;有机合成;涂料;染色、漂白和消毒剂电气和电子、光学器件材料：电池的电解液或添加剂;磁性材料、压电材料和光学医疗和制药工业金属锂及其化合物的制取铍Beryllium)的性质及其用途钙(Calcium)教学反思：轻金属冶金学教案课 程 名 称授 课 教 师轻金属冶金学田应甫，周雪娇授课类型授课时间讲授2 学时授课对象授课地点冶金 2023周二(3,4) E307周四(1,2) A112课 题教学目的与要求：第一章 氧化铝生产概况了解铝的制备历史，把握铝电解对氧化铝的质量要求，了解铝矿资源，生疏氧化铝生产方法分类。教学重点和难点：铝电解对氧化铝的质量要求以及氧化铝生产

10、方法。教学方法：讲授，多媒体教学教学内容与设计： 铝的制备历史 铝电解对氧化铝的质量要求 铝矿资源 氧化铝生产方法分类一、铝制备工艺的演化钾复原氯化铝; 1845 年德国人韦勒 钠复原 NaCl AlCl3;法国人特维尔镁复原冰晶石; 1865 年俄国人别凯托夫1854 年德国人本生用蓄电池作电源电解NaCl AlCl3;1867 年制造发电机，1880 年加以改进1883 年美国Bradley 提出冰晶石氧化铝融盐电解方案； 1886 年Hall-Heroult 法专利.二、铝电解对氧化铝化学成分的要求 比铝更正电性元素的氧化物的危害 比铝更负电性物质的氧化物的危害 水份的危害即少杂质，高纯

11、度更正电性元素的氧化物 优先析出， 产品质量下降，降低电流效率 Mn, Ti, V: 降低Al 的导电性 B：猛烈增加Al 的收缩率，铸造困难 Si: SiF4 形成，污染环境，损失F 更负电性物质的氧化物3R2O+2AlF3=6RF+Al2O33R”O+2AlF3=3R”F2+Al2O3损失AlF3水份分解电解质中的氟化物:3HF 逸出，污染环境，损失AlF我国 Al2O3 质量标准(%)Al(OH)3 的国家标准 GB/T 4294-1997三、铝电解对氧化铝物理性能的要求l 在冰晶石中溶解度大，溶解速度快l 流淌性好l 粉尘量小l 活性大l 保温性能好，结壳好即砂状氧化铝氧化铝物理性质表

12、征安眠角含量a-Al O23真比重容重 粒度比外表积磨损系数氧化铝可分为：砂状，中间状，面粉状氧化铝物理性能主要指标灼减:砂状 0.8-1.2%;面粉状150-180g/L, 脱水：Al(OH)-AlO(OH)-+HO AlO-+2H O22222. AlO(OH) -构造极不对称，生成构造对称的简单聚合离子群：mAl O(OH) - AlO(OH)22- m-2 m4n4n6243. Na2O150-180g/L, 进一步聚合：n Al(OH) - Al(OH)n- n/6Al (OH)6- 三水铝石教学反思：轻金属冶金学教案课 程 名 称授 课 教 师轻金属冶金学田应甫，周雪娇授课类型授课

13、时间讲授10 学时授课对象授课地点冶金 2023周二(3,4) E307周四(1,2) A112课 题第三章 拜耳法生产氧化铝教学目的与要求：把握拜耳法的原理和根本流程、 铝土矿溶出过程的化学反响、晶种分解机理及影响因素。教学重点和难点：拜耳法的原理和根本流程、铝土矿溶出过程的化学反响。教学方法：讲授，多媒体教学教学内容与设计： 拜耳法的原理和根本流程 铝土矿溶出的化学反响,工艺和设备 溶出矿浆稀释、分别和赤泥洗涤 铝酸钠溶液的晶种分解 母液蒸发和结晶渣的苛化 AH 煅烧一、拜耳法的原理和根本流程Bayer ProcessK. J. Bayer 于 1889-1892 年提出, 实质为两项专利

14、:kn 低温低akn 高温高a铝酸钠溶液, 加晶种时Al(OH)3铝酸钠溶液, 铝土矿的溶出。析出;拜耳法循环图A-B: 溶出过程B-C: 稀释过程C-D: 分解过程D-A: 蒸发过程拜耳法的根本流程拜耳法的循环效率 Ea-aaE = 1.645 am ama223循环效率 E：每吨Na O 一次循环中生产出的Al O 的质量。m母液的苛性分子比； a溶出液的苛性分子比。如何提高循环效率？循环母液的分子比对E 的影响二、铝土矿的溶出目的: 将铝土矿中的氧化铝充分溶解成为铝酸钠溶液。1.主反响：三水铝石：Al(OH)3 + NaOH + aq = NaAl(OH)4 + aq一水铝石：AlOOH

15、 + NaOH + aq = NaAl(OH)4 + aq2. SiO2：溶解： Al2O32SiO22H2O + 6NaOH + aq 2NaAl(OH)4 + 2Na2SiO3 + aq析出： 1.7Na2SiO3 + 2NaAl(OH4+) aq N2aOAl2O31.7SiO2H2O+ 3.4NaOH +2HO 引起 Al2O3 和 Na2O 的损失; 形成钠硅渣，进入成品 AH， 影响产品质量; 钠硅渣在生产设备和管道上，特别是在预热器、压煮器等换热设备外表上析出成为结疤，使传热系数大大降低,增加能耗和清理工作量。 大量的硅酸钠大形成增加赤泥量，并且可能成为极分散的细悬浮液，不利于赤

16、泥的分别和洗涤。措施：预脱硅3. 含硫矿物及铁矿a-FeOOH a-Fe2O3 +H2O(针铁矿变为赤铁矿，有利) 2FeCO3+2NaOH Fe(OH)2+Na2CO3 (菱铁矿反苛化，高度分散的 Fe(OH)2)4Fe(OH)2 Fe3O4+Fe O+ 3H2O+H2磁铁矿污染铝酸钠溶液3FeO + H2O Fe3O4 +H2(绿泥石，有害黄铁矿(硫的存在形态，胶体，污染铝酸钠溶液，降低赤泥沉降性能，有害)1. 反苛化和形成钠的含硫化合物，损失苛性碱，且蒸发时析出钠盐；2. 高度分散的 FeO 、FeS 和 Fe3O4 难分别，影响产品质量；沉降性能变坏。3. 不凝性气体增加，导致溶出器有

17、效容积削减；4. 腐蚀设备：Fe+Na2S2O3+2NaOHNa2S+Na2SO4+Fe(OH)2 Fe(OH)2+Na2S Na2FeS2(OH)2 2H2O措施：把握 S 含量(拜耳法 S%0.7%)；加氧化剂(漂白粉和 NaNO3)。4. TiO2 3TiO2+2NaOH+aq=Na2O3TiO22.5H2O+aq 与碱反响，导致 Na2O 损失； 太酸钠薄膜的形成包裹矿石外表，降低溶出率； 赤泥沉降性能变差，在加热器外表形成结垢，降低传热效率。措施：添加石灰使之形成钙钛矿(CaOTiO2):2CaO+TiO2+2H2O=2CaOTiO22H2O由于钛酸钙结晶粗大松脆，易脱落，所以氧化铝

18、溶出不受影响，并且消退了生成钛酸钠所造成的碱损失。5. 添加石灰(CaO)的作用矿石中含有少量的 CaO，主要来源于工艺流程中添加的石灰。CaO 是拜耳法溶出过程中必需添加的物质，作用为： 添加 CaO 是消退 TiO2 的危害有效措施：2CaO+TiO2+2H2O=2CaOTiO22H2O避开了钛酸钠的生成，从而消退了TiO2 的危害，显著提高氧化铝的溶出速率和浸出率。 促进针铁矿转变为赤铁矿，使其中的氧化铝充分溶出，并使赤泥沉降性能改善 活化一水硬铝石的溶出反响。 生成水化石榴石，减小氧化钠的损失，降低碱耗。铝土矿溶出动力学步骤反响物向矿物外表的内集中；外表吸附；化学反响；解吸；向外集中。

19、溶出过程的影响因素温度；时间；搅拌强度；循环母液浓度；配料分子比；矿石磨细度；添加石灰； 铝土矿的予处理；其它添加剂。溶出工艺与设备蒸汽直接加热连续作业高压溶出优点：无机械搅拌，构造简洁，易于制造和维护缺点：预热温度低，蒸汽用量多；冲稀多，蒸发负担重；自蒸发级数少，压降大，蒸发急剧，冲刷力大，设备磨损快。管道化溶出装置n 可用更高温度；n 高流速，强湍动，有利于传热；n 降低汽耗；n 低苛性比溶液有利于生产砂状 Al(OH)3；n 改善赤泥性能。热载体：无机盐；有机物。三、溶出矿浆稀释、分别和赤泥洗涤四个步骤l 赤泥浆液稀释；l 赤泥沉降分别；l 赤泥反向洗涤；l 粗液把握过滤。作用1. 降低

20、浓度，增大过饱和度，以便种分；2. 进一步脱硅；3. 有利于分别;4. 回收Na2O 和Al2O3;5. 有利于沉降槽稳定操作。影响因素1. 矿物组成；2. 浆液温度；3. 磨细度；4. 浓度、粘度与L/S。改善途径1. 予焙烧；2. 提高溶出温度，添加石灰；3. 高效絮凝剂。赤泥浆液的物理化学性质n 细粒子悬浮液，局部接近胶体。赤泥为分散相，铝酸钠溶液为分散介质；n 外表力：剩余价力；范德华引力，氢键作用力等；n 外表力的作用，吸附水分子，Al(OH)4-, Na+, OH-，即溶剂化。消灭双电层。外表溶剂化膜阻碍粒子相互接近两大重要性能：沉降性能: 沉降速度沉降曲线；压缩性能: 压缩速度和

21、压缩液固比赤泥沉降的规律Stokes 公式n V=d2g(s-)/18V 沉降速度，d 粒径，s 粒子密度， 溶液密度， 溶液粘度赤泥沉降的物理化学粒子带电荷q 离子溶解q 选择性吸附q 晶格取代q 固相外表缺陷q 溶液种类 絮凝剂与粒子间的作用n 化学键作用n 离子键n 共价键n 配位键n 分子间作用力n 氢键n 范德华力絮凝剂种类自然：面粉， 麦麸，木薯粉合成：聚丙烯酸钠;聚丙烯酰胺;羟肟类四、铝酸钠溶液的晶种分解作用n 制备质量优良的Al(OH)3 产品；n 获得溶出用循环碱液。评级指标n 质量；纯度；物理性能n 分解率；%n 产出率； kg-AO/m3-溶液n 分解槽单位产能。单位时间

22、内的产出率纯度把握产品Al(OH)3 中Na2O 的构成1.晶格碱；0.05-0.1%Na+取代 H+2.钠硅渣；(0.01-0.03%)3.晶间碱；(0.1-0.2%)4. 附着碱。(可洗，把握0.1%)把握过滤(精液浮游物0.02g/L)分解机理物理化学作用二次成核成 因: 晶种外表在分解过程中变粗糙，生成向外突出的细小晶核或树枝状结晶，相互碰撞或在流体剪切力的作用下脱离母体而致。过饱和度越大；晶种外表积越小；温度越低；搅拌速度小_有利于枝状生成晶粒裂开与磨损成因：又称机械成核。在机械力作用下，颗粒发生裂开而致。猛烈搅拌与浆叶碰撞；浆液输送时与叶轮碰撞；与器壁碰撞；颗粒间摩擦。有利于二次成

23、核结晶长大步骤：溶质向外表集中；长入晶面并放热；结晶热传导回溶液。高温，大的过饱和度。 利于结晶长大有机物和杂质双重效应附聚成因：细小的原生晶粒相互依附并粘结成为一个较大的晶体。产品强度高步骤：1、颗粒20 )相互碰撞，形成物理絮凝(易再分裂);2、粘结。此时要求大饱和度。影响因素1. 原液浓度和分子比;2. 温度制度;3. 晶种的数量和质量;4. 分解时间与母液苛性比;5. 搅拌速度;6. 杂质。晶种分解工艺制度中国铝业生产用矿：一水硬铝石矿生产方法：联合法，烧结法，拜耳法国外生产用矿：一水软铝石或三水铝石为主生产方法：拜耳法为主中国铝业种分过程：Nk 高，k 高要求：高产出率下生产砂状氧化

24、铝产品 晶种分解技术：一段分解和二段分解。一段分解以法铝的高浓度、高产出率的分解技术为代表。二段分解包括以美铝为代表的低产出率6065g/l分解技术和以瑞铝为代表的较高产出率7585g/l的分解技术。 氢氧化铝的碳分技术大多承受连续或连续分解技术。 氢氧化铝的焙烧大多承受流态化焙烧技术。分解产品分别设备转鼓过滤，立盘过滤，平盘过滤五、母液蒸发和结晶渣的苛化母液蒸发分解母液蒸发的目的1. 平衡系统水份，保证溶出效果；2. 排解Na2SO4, Na2CO3 和有机物。各种杂质在母液蒸发过程中的行为1.Na2CO3:温度上升， Na2CO3 平衡溶解度上升；溶液碱浓度上升， Na2CO3 平衡溶解度

25、急剧下降。析出Na2CO3H2O 并吸附有机物；1.Na2SO4:2423析出规律同Na2CO3 。主要析出 2Na SONa CO1.SiO2:上升温度、降低溶液浓度，有利于钠硅渣析出。降低蒸发水量的途径1. 削减循环碱液量；2. 降低循环碱浓度；3. 提高精液浓度；4. 削减非生产用水。结晶渣苛化两种方法热法：1） 结晶渣与Fe2O3 和 Al2O3 混合烧结生成铁酸钠和铝酸钠。2） 用于联合法氧化铝生产流程。石灰法：Na2CO3+Ca(OH)2+aq=2NaOH+CaCO3+aqNa2O-Al2O3-CaO-CO2-H2O 系平衡状态图1苛化反响：Na2CO3+Ca(OH)2+aq=2N

26、aOH+CaCO3+aq23CaCO3+2NaAl(OH)4+4NaOH+aq=3CaO.Al2O3.6H2O+3NaCO3+aq左支曲线：Na2CO3 在铝酸钠溶液中的苛化平衡曲线； 右支曲线：Na2CO3.H2O 在铝酸钠溶液中的溶解度曲线。随 Na2O 的上升，Na2CO3 的平衡浓度增加。1. 苛化反响为放热反响，温度不宜过高，接近100；2. Nc 不宜过高100160g/L Na2CO3)。碳碱浓度不能过高的缘由：（1） Na2Oc 过高，苛化率降低；（2） 防止生成复盐：单斜钠钙石： CaCO3Na2CO35H2O；钙水碱：CaCO3Na2CO32H2O母液蒸发流程1、顺流特点：

27、可自流、出料温度低、蒸汽电能省；但：（1） 进料效高温低碱，钠硅渣结垢严峻；（2） 出料效低温高碱，碳钠、硫钠析出颗粒细，难分别。2、逆流特点： 1削减结垢；2提高一段蒸发母液浓度。3、混流特点：保存逆流作业的优点，同时又可削减泵的数量，节能。目前我国多承受 六、Al(OH)3 煅烧煅烧过程对产品物化指标的影响2q -Al O3的结晶速度随颗粒的增大及碱含量的削减而提高；q 温度1100：180-440猛烈脱水集合体碎裂；相结晶不完善，易碎；21200-1300 -Al O3再结晶，强度低，崩裂。深度煅烧的产品因再结晶，集合体脆，风送时易裂，安眠角大。q 加热速度：脱水两阶段600，提高加热速度，细粒子多。由于结晶差，强度低。q 杂质：25V O ，草酸钠使粒度下降且成针状产品，流淌性差。三种流态化焙烧炉性能比较教学反思：