yh材料工程與基礎(chǔ)鋁

材料工程基礎(chǔ)講課人：楊環(huán)電話：661695第一章材料的熔煉

原材料液態(tài)固態(tài)第二節(jié)鋁冶金與熔煉

一、鋁的性質(zhì)和用途1、物理性質(zhì)：密度?。ㄝp金屬）、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、延展性好2、化學(xué)性質(zhì)：活潑、抗腐蝕3、用途：鋁的重量輕和耐腐蝕，是其性能的兩大突出特點。A、鋁的密度很小，僅為2.7g/cm，雖然它比較軟，但可制成各種鋁合金，如硬鋁、超硬鋁、防銹鋁、鑄鋁等。這些鋁合金廣泛應(yīng)用于飛機、汽車、火車、船舶等制造工業(yè)。此外，宇宙火箭、航天飛機、人造衛(wèi)星也使用大量的鋁及其鋁合金。例如，一架超音速飛機約由70%的鋁及其鋁合金構(gòu)成。船舶建造中也大量使用鋁，一艘大型客船的用鋁量常達(dá)幾千噸。B、鋁的導(dǎo)電性僅次于銀、銅和金，雖然它的導(dǎo)電率只有銅的2/3，但密度只有銅的1/3，所以輸送同量的電，鋁線的質(zhì)量只有銅線的一半。鋁表面的氧化膜不僅有耐腐蝕的能力，而且有一定的絕緣性，所以鋁在電器制造工業(yè)、電線電纜工業(yè)和無線電工業(yè)中有廣泛的用途。C、鋁是熱的良導(dǎo)體，它的導(dǎo)熱能力比鐵大3倍，工業(yè)上可用鋁制造各種熱交換器、散熱材料和炊具等。D、鋁有較好的延展性(它的延展性僅次于金和銀)，在100℃～150℃時可制成薄于0.01mm的鋁箔。這些鋁箔廣泛用于包裝香煙、糖果等，還可制成鋁絲、鋁條，并能軋制各種鋁制品。E、鋁的表面因有致密的氧化物保護(hù)膜，不易受到腐蝕，常被用來制造化學(xué)反應(yīng)器、醫(yī)療器械、冷凍裝置、石油精煉裝置、石油和天然氣管道等。F、鋁粉具有銀白色光澤(一般金屬在粉末狀時的顏色多為黑色)，常用來做涂料，俗稱銀粉、銀漆，以保護(hù)鐵制品不被腐蝕，而且美觀。G、鋁在氧氣中燃燒能放出大量的熱和耀眼的光，常用于制造爆炸混合物，如銨鋁炸藥(由硝酸銨、木炭粉、鋁粉、煙黑及其他可燃性有機物混合而成)、燃燒混合物(如用鋁熱劑做的炸彈和炮彈可用來攻擊難以著火的目標(biāo)或坦克、大炮等)和照明混合物(如含硝酸鋇68%、鋁粉28%、蟲膠4%)。H、鋁熱劑常用來熔煉難熔金屬和焊接鋼軌等。鋁還用做煉鋼過程中的脫氧劑。鋁粉和石墨、二氧化鈦(或其他高熔點金屬的氧化物)按一定比率均勻混合后，涂在金屬上，經(jīng)高溫煅燒而制成耐高溫的金屬陶瓷，它在火箭及導(dǎo)彈技術(shù)上有重要應(yīng)用。I、鋁板對光的反射性能也很好，反射紫外線比銀強，鋁越純，其反射能力越好，因此常用來制造高質(zhì)量的反射鏡，如太陽灶反射鏡等。J、鋁具有吸音性能，音響效果也較好，所以廣播室、現(xiàn)代化大型建筑室內(nèi)的天花板等也采用鋁。K、耐低溫，鋁在溫度低時，它的強度反而增加而無脆性，因此它是理想的用于低溫裝置材料，如冷藏庫、冷凍庫、南極雪上車輛、氧化氫的生產(chǎn)裝置。由于早期煉鋁十分困難，所以鋁的價格十分昂貴，一度超越金銀之上，直至19世紀(jì)上半葉，鋁還是歐洲許多高級珠寶店的高檔貨。從美國化學(xué)家霍爾發(fā)明電解制鋁法后，制鋁工藝不斷改進(jìn)，現(xiàn)在人們已經(jīng)熟練掌握了從鋁土礦中冶煉鋁的技術(shù)了，使得制鋁成本大大下降，鋁的價格也一降千丈，走入千家萬戶。1854年，１公斤鋁需1200盧布，而到了十九世紀(jì)末就降到1盧布。二、煉鋁原料鋁土礦是一種以氧化鋁水合物為主要成分的復(fù)雜鋁硅酸鹽礦石，鋁土礦的主要化學(xué)成分有：Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2，少量的CaO、MgO、硫化物、微量的鎵、釩、磷、鉻等元素的化合物。鋁土礦按其含有的氧化鋁水合物的類型可分為：三水鋁石型鋁土礦；一水軟鋁石型鋁土礦；一水硬鋁石型鋁土礦和混合型鋁土礦；三水鋁石化學(xué)活性最大、一水軟鋁石次之、一水硬鋁石較弱、剛玉則是非常穩(wěn)定的氧化鋁---決定其不同的溶出條件??！

鋁土礦中的二氧化硅是堿法處理鋁土礦制取氧化鋁過程中最有害的雜質(zhì)，鋁土礦的鋁硅比是衡量鋁土礦質(zhì)量的主要指標(biāo)之一。鋁硅比是指鋁土礦中的氧化鋁和二氧化硅的質(zhì)量比：即

A/S=礦石中氧化鋁質(zhì)量/礦石中二氧化硅質(zhì)量寫為：A/S=Al2O3/SiO2我國鋁土礦資源豐富，儲量大；高鋁、高硅、低鐵；鋁硅比較低，中低品位鋁土礦居多；多數(shù)鋁土礦是一水硬鋁石型鋁土礦。A/S一般在4-7之間結(jié)果：我國氧化鋁的質(zhì)量、能耗及成本與國外有較大差距。鋁冶金特點鋁性質(zhì)活潑，易于與氧、鹵族元素結(jié)合成穩(wěn)定化合物；電負(fù)性大；鋁冶金過程：鋁土礦-氧化鋁-純鋁三、氧化鋁生產(chǎn)堿法：拜耳法、燒結(jié)法、聯(lián)合法拜耳法：奧地利化學(xué)家KarlJosel

Bayer（1847-1904）在1889-1892年發(fā)明；拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的基本原理（l）用NaOH溶液溶出鋁土礦，所得到的鋁酸鈉溶液在添加晶種、不斷攪拌的條件下，溶液中的氧化鋁呈氫氧化鋁析出，即種分過程。（2）分解得到的母液，經(jīng)蒸發(fā)濃縮后在高溫下可用來溶出新的鋁土礦，即溶出過程。交替使用這兩過程，就能夠每處理一批礦石得到一批氫氧化鋁，構(gòu)成所謂的拜耳法循環(huán)。用反應(yīng)方程式表示如下：Al2O3（3或1

）H2O＋2NaOH==2NaAl(OH)4氧化鋁廠車間：原料堆及配料車間、球磨機車間、高壓溶出（浸出）車間、沉降分離車間、分解車間、分級車間、蒸發(fā)車間、煅燒車間等；關(guān)鍵工序：浸出、晶種分解、分解母液蒸發(fā)與苛化、氫氧化鋁煅燒鋁土礦選礦設(shè)備流程（1）鋁土礦選礦與原礦漿制備初步提高A/S比，除去部分雜質(zhì)，達(dá)到一定粒度（2）鋁土礦的溶出循環(huán)母液成分：NaOH、NaAlO2、Na2CO3等；氧化鋁：Al2O3?nH2O+2NaOH→2NaAlO2+nH2O二氧化硅：SiO2+2NaOH→Na2SiO3+H2O2Na2SiO3+2NaAlO2+4H2O→Na2O?Al2O3?2SiO2?2H2O↓+4NaOHSiO2以Na2O?Al2O3?2SiO2?2H2O↓的形式進(jìn)入赤泥，從而造成苛性鈉和氧化鋁的損失，且這種損失與礦石中SiO2的含量成正比。故拜耳法僅適合于處理含SiO2較少、A/S大于7的鋁土礦。氧化鐵：浸出過程Fe2O3不與NaOH反應(yīng)，以固相形式進(jìn)入殘渣，使殘渣成粉紅色，所以氧化鋁溶出殘渣稱赤泥。廣西平果鋁廠的赤泥堆場二氧化鈦：與配入的石灰作用生成不溶解的鈦酸鈣；碳酸鹽：礦石中碳酸鹽主要是CaCO3和MgCO3，它們與NaOH反應(yīng)，使NaOH變成Na2CO3，使堿液中苛性堿濃度降低，對氧化鋁的溶出不利。綜上：鋁土礦高壓溶出的結(jié)果是Al2O3進(jìn)入溶液，SiO2、Fe2O3、TiO2等進(jìn)入赤泥，借助機械的方法分離赤泥和溶液，從而達(dá)到Al2O3與雜質(zhì)分離的目的。注意：不同類型的鋁土礦，其溶出條件有很大差異。從而導(dǎo)致氧化鋁生產(chǎn)的能耗和成本與鋁土礦的類型有很大關(guān)系。三水鋁石型鋁土礦在105℃的條件下就可以較好地溶出，一水軟鋁石型鋁土礦在200℃的溶出溫度下就可以有較快的溶出速度，而一水硬鋁石型鋁土礦必須在高于240℃的溫度下進(jìn)行溶出，其典型的工業(yè)溶出溫度為260℃。溶出時間不低于60分鐘。拜爾法赤泥沉降分離洗滌的簡單工藝流程（3）鋁酸鈉溶液的晶種分解直接影響產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的關(guān)鍵工序種分機理：加入Al(OH)3晶種后NaAlO2+2H2O→Al(OH)3↓+NaOH分解率η=析出的Al2O3量/溶液中理論上的Al2O3的質(zhì)量×100%工業(yè)上一般為50%-53%影響鋁酸鈉溶液穩(wěn)定性的控制條件:溶液濃度、苛性比值、溶液溫度、結(jié)晶核心的存在和攪拌；種分過程：控制鋁酸鈉溶液中Al2O3的濃度145g/l左右，苛性比αk（溶液中Na2O與Al2O3小于1.7,溫度，接近溫度30℃，加入晶種Al(OH)3并機械攪拌，鋁酸鈉溶液自發(fā)水解析出Al(OH)3，同時獲得苛性比較高的種分母液，該種分母液濃縮后作為循環(huán)母液，返回溶出過程，溶出下一批鋁土礦，析出的Al(OH)3經(jīng)洗滌后送去煅燒。晶種分解的主要設(shè)備：冷卻設(shè)備：鼓風(fēng)冷卻塔、板式熱交換器及閃速蒸發(fā)換熱系統(tǒng)等；分解槽：空氣攪拌分解槽、機械攪拌分解槽。（4）氫氧化鋁的煅燒氫氧化鋁煅燒的目的是在一定溫度下把氫氧化鋁的附著水和結(jié)合水脫除，并發(fā)生分解反應(yīng)，形成氧化鋁，再進(jìn)行晶型轉(zhuǎn)變，得到具有一定物理和化學(xué)性能的氧化鋁產(chǎn)品。氧化鋁的焙燒設(shè)備：回轉(zhuǎn)窯、循環(huán)焙燒爐主要反應(yīng)：Al2O3?3H2O→Al2O3?H2O+2H2OAl2O3?H2O→γ-Al2O3+H2Oγ-Al2O3→α-Al2O3注意：適合電解鋁生產(chǎn)的是砂狀氧化鋁！?。?）母液的蒸發(fā)與苛化母液蒸發(fā)：保證循環(huán)母液濃度，平衡水量浸出過程發(fā)生反苛化反應(yīng)：2NaOH+CaCO3→Na2CO3+Ca(OH)2苛化反應(yīng)：Na2CO3+Ca(OH)2→2NaOH+CaCO3堿石灰燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁

基本原理：將鋁土礦與一定量的純堿、石灰（或石灰石）配成爐料在高溫下進(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·SiO2,氧化鋁與純堿化合成可溶于水的固體鋁酸鈉Na2O·Al2O3、而氧化鐵與純堿化合成可以水解的鐵酸鈉Na2O·Fe2O3，將燒結(jié)產(chǎn)物（熟料）用稀堿溶液溶出時Na2O·Al2O3便進(jìn)入溶液，Na2O·Fe2O3水解放出堿，氧化鐵以水合物與原硅酸鈣一道進(jìn)入赤泥。再用二氧化碳分解鋁酸鈉溶液便可以析出氫氧化鋁。經(jīng)過焙燒后產(chǎn)出氧化鋁。分離氫氧化鋁后的母液成為碳分母液（主要成分為Na2CO3），經(jīng)蒸發(fā)后返回配料。燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁工序:生料漿的制備熟料燒結(jié)熟料溶出鋁酸鈉溶液脫硅碳酸化分解（碳分）氫氧化鋁分離、洗滌氫氧化鋁焙燒碳分母液蒸發(fā)四、金屬鋁的生產(chǎn)鋁電解用原材料：氧化鋁冰晶石氟化鋁鋁電解用其它氟化鹽鋁電解用炭素材料氧化鋁是鋁電解生產(chǎn)中的主原料。它是一種白色粉狀物，熔點為2050℃，沸點為3000℃，真密度為3.6g/cm3。它不溶于水，能溶于冰晶石熔體中。鋁電解對于氧化鋁的要求，一是它的化學(xué)純度，再就是其物理性能。氧化鋁冰晶石（六氟鋁酸鈉）的分子式為Na3AlF6，它是溶劑的主要成分，與氧化鋁形成低熔共晶，使氧化鋁在1000℃以下進(jìn)行電解。

鋁電解生產(chǎn)中所用的冰晶石分天然和人造兩種。天然冰晶石（3NaF·AlF3）屬于單斜晶系，是一種無色或雪白色晶體，比重2.95，硬度2.5，熔點1010℃。天然冰晶石的儲量很少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足鋁工業(yè)的需要，所以現(xiàn)代鋁工業(yè)采用人造冰晶石。冰晶石氟化鋁在鋁電解生產(chǎn)中，它是冰晶石-氧化鋁熔體的一種添加劑。氟化鋁是一種白色粉末，粒度比氧化鋁稍大，不粘手，在常壓下加熱不熔化，但在高溫下升華。它的作用是可以彌補電解質(zhì)中氟化鋁的損失，又可以調(diào)整電解質(zhì)的分子比，主要用于降低熔體的分子比，降低電解溫度。以保證生產(chǎn)技術(shù)條件的穩(wěn)定。鋁電解用炭素材料鋁工業(yè)上均采用炭素材料作電極-炭陽極和炭陰極。在電解過程中，炭陰極原則上是不消耗的，炭陽極由于直接參與電化學(xué)反應(yīng)而消耗。陽極的作用主要有兩種：導(dǎo)電和參加電解時的化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)。

生產(chǎn)陽極的主要原料:石油焦、煤瀝青、改性瀝青等；在電解過程中，陽極是消耗的，其理論消耗是334kg/t·Al，而實際消耗一般為380~450kg/t·Al，這與陽極質(zhì)量、電解技術(shù)條件有關(guān)。降低陽極消耗可以提高鋁廠的電流效率、降低電耗和增加鋁產(chǎn)量，從而提高經(jīng)濟效益。鋁電解原理陰極：Al3+（絡(luò)合）+3e→Al陽極：2O2-（絡(luò)合）+C-4e→CO2總反應(yīng)：2Al2O3+3C→4Al+3CO2電解過程是氧化鋁和碳陽極不斷消耗，從陰極析出金屬鋁，陽極上產(chǎn)生CO2氣體。鋁電解槽系列是鋁生產(chǎn)的單元。每一個系列都有它額定的直流電源和電解槽數(shù)目。系列中電解槽串聯(lián)連接。直流電從整流器之正極經(jīng)鋁母線送到電解槽的陽極，經(jīng)電解質(zhì)和鋁液層流過陰極，然后進(jìn)入下一臺電解槽的陽極，依次類推。從最后一臺電解槽陰極出來的電流，返回整流器的負(fù)極。電解廠房內(nèi)電解槽的配置方式有縱向排列和橫向排列兩種，每一種排列方式又可分為單行排列和雙行排列。鋁錠鑄造

由電解槽生產(chǎn)出來的鋁液，稱為原鋁液。原鋁液經(jīng)過處理，鑄成各種不同品位和形狀的鋁錠，然后經(jīng)過檢驗和打捆，再過秤入庫，作為下一步加工的半成品原料。鑄錠工藝現(xiàn)在鋁鑄造工藝一般采用澆鑄工藝，就是把鋁液直接澆到模子里，待其冷卻后取出。鑄造過程是一個由液態(tài)鋁冷卻、結(jié)晶成為固體鋁錠的物理過程。鑄錠成型的方法，目前我國廣泛采用的是：塊鐵模鑄錠法、連續(xù)及半連續(xù)鑄錠法和連續(xù)鑄軋法。第四節(jié)真空冶金大氣下冶煉的缺點：活潑金屬易于氧化，合金成分難于精確控制；金屬熔池與空氣作用，合金中有害氣體（N,H,O）難以去除；大氣下熔煉抑制了揮發(fā)過程，不能去除有害元素Pb,Sb,Bi,Sn,Cu等。由大氣下冶煉的材料很難滿足現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展所需。如航空發(fā)動機，艦艇燃?xì)廨啓C，火箭發(fā)動機關(guān)鍵部件，高級別工模具鋼，軸承鋼等。區(qū)別于大氣下的冶金過程，需要配備真空抽氣系統(tǒng)和密封爐體一、真空冶金過程特點真空冶金使在常壓下進(jìn)行的物理化學(xué)反應(yīng)條件發(fā)生了變化，主要體現(xiàn)在氣相壓力的降低上。真空冶金物理化學(xué)反應(yīng)基本特點：只要冶金反應(yīng)有氣相參加，則可使平衡反應(yīng)向著增加氣態(tài)物質(zhì)方向進(jìn)行。1活潑元素的控制大氣條件下熔煉對活潑元素難于控制，熔煉與澆注過程中，合金中活潑元素（Al,Mg,Ti,B,Ce,La……）易燒損。而真空冶金不受周圍環(huán)境污染。真空電子束熔煉真空度高達(dá)10-2~10-3Pa。43[C]+[O]={CO}真空下，反應(yīng)向生成CO方向移動，提高C脫氧能力。真空熔煉與大氣熔煉相比，碳的脫氧能力提高100倍以上。3真空脫氣主要指脫[H]、[N]。氫、氮在鐵中溶解度與其在氣相中分壓的平方根成正比，即平方根定律：H很容易降低至1ppm以下。2真空下碳氧反應(yīng)4真空揮發(fā)利用揮發(fā)去除鋼液中有害元素Pb，Sn，Sb，Bi等。同時也會導(dǎo)致部分有益元素的損失。5夾雜物去除兩條途徑：真空下碳氧反應(yīng)及電磁攪拌促使夾雜物上??；夾雜物分解；6真空坩堝反應(yīng)感應(yīng)爐熔煉采用氧化鎂坩堝，坩堝反應(yīng)如下：7水冷結(jié)晶器強制冷卻作用真空電弧爐，真空電子束不使用耐火材料坩堝，避免耐火材料的污染。自耗電極熔化與液體金屬凝固同時進(jìn)行，消除鑄錠縮孔及中心輸送。真空冶金廣義包括：真空脫氣，真空熔煉、真空熔鑄、真空蒸餾、真空分解、真空燒結(jié)、真空熱處理、真空焊接及真空鍍膜等。

真空感應(yīng)熔煉（VIM），真空電弧重熔（VAR），電子束重熔（EBR）。二、真空感應(yīng)熔煉VacuumInductionmelting

定義在真空條件下，利用電磁感應(yīng)在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流加熱爐料，從而對金屬料進(jìn)行熔化。真空感應(yīng)熔煉合金純凈度高，合金成分可準(zhǔn)確控制。1945年由于原子能工業(yè)需要，建成工業(yè)真空感應(yīng)爐。1真空感應(yīng)爐設(shè)備三部分：電源輸入系統(tǒng)；真空系統(tǒng)；爐體472真空感應(yīng)熔煉工藝裝料、熔化、精煉、澆鑄四步工序（1）裝料真空室內(nèi)進(jìn)行。全部原料直接裝入坩堝合金料箱中，隨熔煉過程加入加料原則：蒸汽壓高的元素，應(yīng)在出鋼前不久通入保護(hù)氣體后加入；活潑金屬Al、Ti等應(yīng)在精煉期加入；基體原料Fe，Ni，W等直接一次加入坩堝，難熔、量多料裝在高溫區(qū)