1.1-1.2鋁冶金概述(2學時)

第一篇輕金屬冶金學第1章鋁冶金1.1概述--Introduction1.1.1鋁冶金的歷史鋁在自然界中的分布地殼中鋁8%，僅次于氧和硅，在金屬元素中，鋁居首位1825年，丹麥,哥本哈根，化學家,HansChristianOersted首次制備金屬鋁

Wohlerisgenerallycreditedwithhavingisolatedthemetalin1827.

我國開采歷史悠久（1）漢代《本草經(jīng)》（2）明代《天工開物》

化學法制鋁（1825～1890）、電解法煉鋁（1887～1888年以后）化學法制取鋁

1825Oersted

丹麥鉀汞還原無水氯化鋁1827Wohler德國鉀還原無水氯化鋁1854Deville法國鈉還原NaCl-AlCl31865Bektob

俄國鎂還原冰晶石

1886年美國Hall法國Heroult申請專利：Hall-Heroult法，即冰晶石-氧化鋁法

1.1.2現(xiàn)代鋁工業(yè)全世界原鋁產(chǎn)量化學法：工制備200噸鋁電解法1890：180t；1900：6990t；1925：18萬t；1950：150萬t；1970：1025萬t1980：1560萬t2000：2400萬t

非洲北美拉丁美洲亞洲西歐中東大洋洲波斯灣中國總計日均20071,8155,6422,5583,7174,3054,4602,315

12,58837,400102.520081,7155,7832,6603,9234,6184,6582,297

13,10538,759105.920091,6814,7592,5084,4003,7224,1172,211

12,96436,36299.620101,7424,6892,3052,5003,8004,2532,2772,72416,13140,421110.720111,8034,9692,1842,5334,0274,3192,3063,47317，78643，400118.9表12007~2011年世界原鋁產(chǎn)量單位：千噸表22009、2010年世界各國鋁產(chǎn)量與產(chǎn)能列表（數(shù)據(jù)來自美國能源部）單位：千噸用電解法或其它方法直接生產(chǎn)出來的純鋁稱為原鋁(99.7-98%):Al-00(特一號鋁):99.7%；Al-0(特二)：99.6％；Al-1:99.5;Al-2:99;Al-3:98%精鋁：99.95-99.995％特級精鋁：Al99.995;一級精鋁：Al99.99;二級精鋁：Al99.95

高純鋁：99.9995-99.999％

Al-05:99.999%;Al-055:99.9995%超高純度鋁：99.9999-99.99999％鋁合金

現(xiàn)代鋁工業(yè)三個主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)：

（1）從鋁土礦提取純氧化鋁（2）用冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法生產(chǎn)鋁（3）鋁加工輔助環(huán)節(jié)：

（1）炭素電極制造（2）氟鹽生產(chǎn)現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)流程簡圖鋁電解原理：

現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)，主要采用冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法，其中氧化鋁是煉鋁的原料，冰晶石(Na3AlF3)是熔劑。直流電通入電解槽，在陰極和陽極上發(fā)生電化學反應。電解產(chǎn)物，陰極上是液體鋁，陽極上是氣體CO2（75-80%）和CO（20-25%）。在工業(yè)電解槽內(nèi)，電解質(zhì)通常由質(zhì)量分數(shù)為95%的冰晶石和5%的氧化鋁組成，電解溫度為950-970℃。電解液的密度約為2.1g/cm3，鋁液密度為2.3g/cm3，兩者因密度差而上下分層。鋁液用真空抬包抽出后，經(jīng)過凈化和過濾，澆鑄成商品鋁錠，純度達99.5-99.8%。陽極氣體中還含有少量有害的氟化物、瀝青煙氣和二氧化硫。經(jīng)過凈化后，廢氣排入大氣，收回的氟化物返回電解槽內(nèi)繼續(xù)使用。迄今為止還沒有發(fā)現(xiàn)另一種化合物可以代替冰晶石的。這是因為冰晶石除了能夠溶解氧化鋁以外還具有其它一些不可缺少的性質(zhì)，如不含比鋁更正電性的元素，穩(wěn)定性好，在一般條件下不分解、不揮發(fā)、不潮解，熔點高于鋁，導電性好，節(jié)約電量等?？梢哉f，如果沒有冰晶石，全世界也許就沒有如此大規(guī)模的鋁工業(yè)，價格也就沒有這么低，應用也就沒有這么廣泛。格陵蘭西海岸是冰晶石的主要產(chǎn)地，此礦于1987年開采完畢?，F(xiàn)時多以螢石人工合成六氟鋁酸鈉供工業(yè)使用。西班牙、俄羅斯和美國也有產(chǎn)出。

1.1.3鋁的性質(zhì)和用途

周期表上第三周期、IIIA族元素，原子序數(shù)13，相對原子量26.98154。1.1.3.1鋁的主要物理性質(zhì)輕金屬(ρ=2.6966-2.6988g/cm3),銀白色金屬光澤熔點低:660℃;沸點高:2467℃導熱能力好,

是銅的1.5倍左右電阻率低,(2.8-2.85)×10-8·m高反射率，尤其波長為0.2～12μm的光線無磁性，不產(chǎn)生附加的磁場再生利用率高構(gòu)成多種合金，應用廣泛。1.1.3.2鋁的化學性質(zhì)與氧反應高結(jié)合能力：生成Al2O3，

氧化鋁的生成熱為-31KJ/g-Al，

高溫下將其他金屬氧化物還原為金屬（鋁熱法）2Al+3MeO=Al2O3+3Me

歧化反應：在800℃以上溫度，鋁同三價鹵化物（如AlF3）反應生成一價鋁的鹵化物，在冷卻時一價鋁的鹵化物分解出三價鋁的鹵化物和鋁

超高純度鋁的生產(chǎn)方法之一鋁易同稀酸起反應，又易被苛性堿溶液侵蝕，生成氫氣和可溶性鹽鹽酸、硫酸、堿液;冷硝酸（稀、濃）:鋁不與碳氫化合物起反應鋁的保護劑：表面自動生成0.2微米左右的氧化膜，自保護

保護膜的利弊：利：；弊：

1.1.3.3鋁與人體健康的關系人體攝入少量的鋁對健康無損害人體中含量

肝/p.p.m.:3–23；肌肉/p.p.m.:0.7-28

血/mgdm-3:

0.39

骨/p.p.m.:4-27

日攝入量/mg:2.45

人(70Kg)均體內(nèi)總量/mg:60太多：維生素C的損失少量的鋁溶解在含有機酸的蔬菜中,如西紅柿要禁忌過量的鋁鋁質(zhì)容器：不可存放隔夜食物鋁能對抗鉛的某些毒性

1.1.3.4鋁合金的種類鑄造鋁合金：Al-Si,Al-Cu,Al-Mg,Al-Zn系變形鋁合金（加工用鋁合金）防銹鋁：Al-Mg,Al-Mn硬鋁:Al-Cu-Mg,Al-Cu-Mn超硬鋁:Al-Mg-Cu-Zn鍛鋁:Al-Mg-Si特殊鋁合金（Al-Si,Al-Mg[高純]）、釬焊鋁合金1.1.3.5鋁的用途傳統(tǒng)用途：建筑、輸電、食品、化工鋁在交通運輸業(yè)上的應用鋁在航空、航天、軍工上的應用鋁在當代高技術領域的應用：微電子、太陽能電解法煉鋁

1886年美國Hall法國Heroult申請專利：Hall-Heroult法，即冰晶石-氧化鋁法法國：1889挪威：1906英國：1890意大利：1907德國：1898西班牙：1927奧地利1899前蘇聯(lián)：1931

中國：1938

1.1.4鋁礦（1）鋁土礦（Bauxite)

鋁土礦是含鋁礦物和赤鐵礦、針鐵礦、高嶺石、銳鐵礦、金紅石、鈦鐵礦等礦物的混合礦。鋁土礦實際上是指工業(yè)上能利用的，以三水鋁石、一水軟鋁石或一水硬鋁石為主要礦物所組成的礦石的統(tǒng)稱。

是現(xiàn)代電解法煉鋁的原料。鋁土礦的化學成分質(zhì)量分數(shù)和主要礦物成分鋁土礦類型三水鋁石一水軟鋁石一水硬鋁石組成Al2O3·3H2OAl2O3·H2OAl2O3·H2O最高Al2O3%65.485.085.0晶系單斜正方正方硬度2.5~3.53.5~4.06.5~7.0密度(g/cm3)2.423.013.44快速脫水溫度/℃150350450在每升Na2O水溶液中Al2O3溶解度/g(125℃)10545基本不溶

世界鋁土礦的主要類型是三水鋁石型，其次是一水軟鋁石型和一水硬鋁石型。鋁土礦的儲量全世界為245億噸，可滿足今后150年需要，80%集中在幾內(nèi)亞、澳大利亞、巴西、加勒比海地區(qū)、印度、印度尼西亞和東歐等處于熱帶和亞熱帶的國家和地區(qū)，多數(shù)為三水鋁石型。中國的鋁土礦資源豐富，分布甚廣，主要在山西、河南、貴州、廣西和山東。中國鋁業(yè)公司青海分公司貴州分公司廣西分公司山東分公司河南分公司

我國鋁土礦的特點高硅、高鋁和低鐵，為一水硬鋁石型，礦石中鋁硅比在4～7之間[m(Al2O3)/m(SiO2)]。福建、河南和廣西有少量的三水鋁石型鋁土礦。鋁土礦的可溶性堿液溶出次序：三水鋁石型、一水軟鋁石型、一水硬鋁石型。鋁土礦質(zhì)量評價標準：

A、礦石類型

B、鋁硅比

（2）紅柱石、霞石紅柱石、硅線