有色金属冶金学

有色金属冶金学轻金属：铝、镁、铍、钛、钾、钠、锂、钙、锶、钡等十余种金属重金属：铜、镍、钴、锌、锡、锑、汞等二十余种金属稀有金属：钨、钼、锆、铪、铌、钽、稀土金属等数十种金属贵金属：金、银、铂族金属等几种第一篇轻金属冶金学第一章氧化铝生产1.摩尔比（苛性比）：溶液中Na2O浓度为135g/l，Al2O3为130g/l，则该溶液的摩尔比为MR=(135/130)*(102/62)=1.708。式中的102和62分别为Na2O和Al2O3的分子量2.拜耳法生产氧化铝的主要工序包括：铝土矿原料准备、熔出、赤泥分离洗涤、分解、氢氧化铝分离洗涤、煅烧、蒸发和苛化3.拜耳法：是直接利用含有大量游离苛性钠的循环母液处理铝土矿，溶出其中氧化铝得到铝酸钠溶液，并用加氢氧化铝种子（晶种）分解的方法，使铝酸钠溶液分解析出氢氧化铝结晶。种分母液经蒸发后返回用于溶出铝土矿。4.铝土矿的溶出及影响因素：铝土矿的溶出通常是在高于溶液常压沸点的温度下用苛性碱溶液处理的化学反应过程，所以也叫“高压（高温）溶出”。影响因素：铝土矿的矿物成分及其结构；溶出温度；循环母液碱浓度；配料摩尔比；搅拌强度5.单流法、双流法：在溶出流程上可分将循环母液和矿石一起磨制成原矿浆进行预热溶出的“单流法”及仅将一部分循环母液送去磨制矿浆，大部分母液单独预热到溶出温度，再于溶出器内和浓稠矿浆混合进行溶出的“双流法”6.赤泥分离洗涤过程步骤：赤泥料浆稀释；沉降分离；赤泥反向洗涤；溢流控制过滤7.铝酸钠溶液加种子分解：实际上应包括铝酸根离子的分解和氢氧化铝结晶8.含铝矿物的分子式（刚玉、三水铝石、一水铝石、明矾石、霞石）：高岭石Al2O3·2SiO2·2H2O、刚玉Al2O3、三水铝石Al(OH)3、一水铝石AlOOH、明矾石(K,Na)2SO4·Al2(SO4)3·4Al(OH)3、霞石(K,Na)2O·Al2O3·2SiO2。9.分角母液蒸发的主要目的：是排除流程中多余的水分，保持循环系统中的水量平衡，使母液蒸发到符合拜耳法溶出或烧结法生料浆配料所要求的浓度10.碳酸化分解：得到的铝酸钠溶液经过净化（脱硅），通入CO2气体，降低其稳定性，析出氢氧化铝11.烧结法生产氧化铝：工艺、生料配料和烧结；熟料溶出；粗液脱硅；碳酸化分解；氢氧化铝煅烧；碳分母液蒸发12.烧结法：是在铝土矿中配入石灰石（或灰石）、纯碱（含大量Na2CO3的碳分母液），在高温下烧结而得到含有固态铝酸钠的熟料，用水或稀碱溶液溶出熟料，得铝酸钠溶液。经脱硅净化的铝酸钠溶液用碳酸化分解法（向溶液中通入二氧化碳气）使溶液中的氧化铝成氢氧化铝结晶析出。碳分母液经蒸发后返回用于配制生料浆。13.碱石灰烧结法熟料的物相组成：铝酸钠、铁酸钠、硅酸二钙、钛酸钙14.根据窑内物料沿窑长的温度和物理化学变化的特点，可以将窑依次划成如下各带：烘干带、预热带、分解带、烧成带、冷却带15.熟料溶出过程中的二次反应：由于硅酸二钙的分解又引起其他反应，使已溶出的Al2O3和Na2O又转为固相而造成损失，这种造成…损失的反应叫做….16.脱硅反应：2Na2SiO3+(2+n)NaAl(OH)4+aq=Na2O·Al2O3·2SiO2·nNaAl(OH)4·xH2O+4NaOH+aq3Ca(OH)2+NaAl(OH)4+aq=3CaO·Al2O3·6H2O+2NaOH+aq17.减少二次反应损失措施（简单看一下）：溶出用调整液的组成使孰料中铝酸钠溶出液摩尔比控制为1.25左右，以减少溶液中游离苛性碱的浓度；溶液中Na2O浓度保持不大于30g/l，使溶液位于苛化曲线上部的CaCO3稳定区；在不显著影响赤泥沉降速度的条件下采取偏低的溶出温度78-82℃；快速分离赤泥18.铝酸钠溶液脱硅实质：铝酸钠溶液的脱硅过程即为使溶液中SiO2由介稳状态过渡到平衡状态的过程，过饱和部分的SiO2自溶液中析出。19.碳分过程中SiO4析出变化曲线：第一阶段表明有Al2O3与SiO2共同析出，第二阶段表明只析出氢氧化铝而不析出SiO2，第三阶段表明随氢氧化铝的析出，SiO2也强烈析出第二章铝冶金1.现代铝工业有三个主要生产环节：从铝土矿提取氧化铝——氧化铝生产；用冰晶石-氧化铝融盐电解法生产金属铝——铝电解；铝加工2.冰晶石-氧化铝融盐电解法：直流电流通入电解槽，在阴极和阳极上起电化学反应。电解产物，阴极上是铝液，阳极上是CO2和CO气体。铝液用真空抬包抽出，经过净化和澄清之后，浇铸成商品铝锭，其质量达到99.5～99.8%Al。阳极气体中还含有少量有害的氟化物和沥青烟气，经过净化之后，废气排放入大气，收回的氟化物返回电解槽。3.铝电解用的熔剂包括：冰晶石、氟化钙、氟化镁、氟化钾等几种4.制造酸法冰晶石有两道工序：制酸-用萤石和硫酸制备氟化氢气体，加水吸收制粗氟酸，再加碳酸钠得精氟酸；制盐-精氟酸同氢氧化铝反应生成氟铝酸，然后用碳酸钠中和，生成冰晶石泥浆5.炭阳极分为两大类：自焙阳极和预焙阳极6.焦炭：制造阳极用的焦炭，通常是石油焦或石油焦和沥青焦的混合物。石油焦是渣油蒸馏过程中的副产物7.沥青作用分类：作用-制造阳极的粘结剂；沥青分为三种-软沥青、硬沥青、中硬沥青8.现代铝工业上有两类三种型式的电解槽：自焙阳极电解槽；预焙阳极电解槽9.工业铝电槽的构造：主要包括阳极、阴极和母线三部分10.铝电解槽系列：系列中电解槽串联连接11.电解厂房内电解槽的配置方式：有纵向排列和横向排列两种，每次一种排列方式又可分为单行排列和双行排列12.在NaF-AlF3二元系中，有两个化合物：冰晶石（Na3AlF6）和亚冰晶石（Na5Al3F14）。此外，还可能有化合物单冰晶石（NaAlF4）13.冰晶石在固态下有三种变体：单斜晶系/565℃/立方晶系/868℃/六方晶系14.亚冰晶石的生成：NaF-AlF3二元系中是由初晶体Na3AlF6（固相）与液相起包晶反应而生成15.单冰晶石的生成：单冰晶石是在710℃由AlF3晶体与液相起包晶反应而生成16.冰点降低值(dT)：取决于所产生的新质点数(C)，熔剂的熔点(Tf)和熔化热(ΔHf)故有dT/dN(Al2O3)=CRTf^2/ΔHf,这里N(Al2O3)为溶质Al2O3的摩尔分数17.添加剂：添加某些能够改善它的物理化学性质以及提高电解生产指标的盐类18.盐类添加剂应基本上满足三个要求：在铝电解过程中不分解；应能改善冰晶石-氧化铝熔液的物理化学性质；来源广泛并且价格低廉19.酸性电解质的优点是：熔点比较低，因而可以降低电解温度；铝在其中的溶解度较小，故有利于提高电流效率；而且电解质结壳酥松好打20.铝电解质的酸度的三种表示方式：NaF/AlF3摩尔比（K1）——我国和苏联采用；NaF/AlF3重量比（K2）——北美州采用；游离AlF3%(f)——西欧采用21.研究冰晶石-氧化铝溶液的物理化学性质的目的：一方面在于改善铝的电解过程，谋求提高电流效率，减少能量消耗，节省原料，延长电解槽的使用期；另一方面在于了解融盐体系的结构，进而探讨铝电解的机理问题22.阴极一次反应：铝氧氟络合离子中的Al3+获得三个电子而放电Al3+（络合的）＋3e→Al23.阳极反应：氧离子在炭阳极上放电，生成CO2的反应是：2O2-－4e＋C→CO224.铝电解中的阳极反应包括三个步骤：氧离子越过双电层在阳极上放电，并生成原子态氧O2-→O＋2e；吸附在阳极上的氧与炭阳极本身发生作用，生成碳氧化合物CxOO＋xC→CxO；CxO分解出CO2，此CO2仍然吸附在炭阳极上CxO→CO2+(2x-)C25.阳极效应：是发生在阳极上的一种特殊现象，其发生时，阳极上出现许多细小而明亮的电弧26.阳极效应的发生机理（了解）：湿润性学说；氟离子放电学说；静电引力学说27.阳极效应可分为两类：一类是因电流密度增大，另一类是因氧化铝浓度降低。前者可快速发生，后者是缓慢发生的28.铝在冰晶石-氧化铝溶液中的溶解，可有以下四种方式：①铝与冰晶石熔液发生化学反应，生成低价氟化铝2Al(液)+Na3AlF6(液)=3NaF(液)+2AlF(液)；②铝置换冰晶石中的钠，生成元素钠Al(液)+Na3AlF6(液)=3Na(液)+2AlF3(液)；③铝以电化学溶解方式，生成低价铝离子，并给出电子Al(液)=Al+(液)+2e④物理溶解29.铝电解的电流效率：每通过1F电量，阴极上析出1克当量铝，同时阳极上析出1克当量的氧(法拉第常数=96487C)。铝的电化学当量=(26.98/3)/(96487/3600)=0.3356g/A·h30.引起电流效率降低的原因：铝的溶解和损失；析出钠；电流空耗；其他损失31.铝电解的全部生产过程分三个阶段：即焙烧、启动和正常生产阶段32.铝电解槽焙烧的目的：在于加热阳极、阴极和炉膛，以利于启动。焙烧时利用阳极和阴极本身的电阻，以及焙烧介质的电阻发热，或者利用燃料发热33.铝电解槽的启动：是指在电解槽内熔化电解质和铝，开始电解，然后逐步纳入正常生产34.无效应启动：是指在电解槽启动之前，在阳极周围铺放氟化钙，然后放冰晶石和氟化钠（或纯碱）混合物，在槽膛内壁边缘铺放固体电解质块。灌入液体电解质，同时迅速提升阳极，电压达到8～10V，使槽内固体物料逐渐熔化，并陆续添加固体冰晶石，直至电解质水平达到30～35cm为止，熔料结束时，槽电压保持8～10V，全部熔料时间为6～8小时的启动法。35.效应启动法：是指在启动开始时提升阳极使发生阳极效应，保持槽电压40～50伏，迅速熔化槽内的物料，在1小时内完成。36.启动后期：是指从开始电解逐步纳入正常生产的一个过渡时期。37.椭圆形的槽膛作用：热和电的绝缘体；保护炭素侧壁；减少热损失量；提高电流效率38.电解质液面上表面结壳对于电解生产的益处：第一，它是存放原料氧化铝的基地，使氧化铝得到预热，并且脱去其中的部分水分；第二，结壳本身以及在其上面堆放的氧化铝是良好的保温层，可减少电解质的热损失量。39.槽电压：槽电压是阳极母线至阴极母线之间的电压降40.极距：是指阴、阳两极之间的距离41.电解温度：指电解质温度，一般取950~970℃，大约高出电解质的初晶点10~20℃42.电解质成分：目前普遍采用冰晶石-氧化铝熔融电解质43.电解质水平和铝液水平：电解液和铝液按照密度差别分为上下两层，是指它们各自的厚度。44.阳极效应系数：每日分摊到每槽的阳极效应次数称为…45.阳极工作面：是指浸在电解质里的阳极表面46.阴极工作面：是指槽底上的铝液表面47.铝电解槽的能量平衡：是指在稳定状态下，供给电解槽体系的能量与电解槽消耗和损失的能量之间的平衡48.铝液净化采用的方法-气体净化：所用的气体是氯气，或者是氮气和氯气的混合气体49.一次烟气：是指由槽上集气罩捕集的铝电解槽散发的烟气，体积较小，其中氟化物浓度较大。50.二次烟气：是指未经集气罩收集而直接进入电解厂房空气中的铝电解槽散发的烟气，被厂房空气稀释后，体积较大，氟化物浓度甚小。51.干式净化装置：是指在烟气通过袋式过滤器进行收尘之前，使烟气在流化床或输送床中与氧化铝直接接触，利用氧化铝对氟化氢气体的吸附能力，并且吸附作用发生在氧化铝颗粒的单分子层上，生成表面化合物AlF3，使烟气得以净化的装置。利用这种装置净化气体的方法，称干式净化法。52.三层液电解精炼法：因精炼电解槽内有三层融熔液而得名，其下层液体是阳极合金，由30%CU与70%Al组成；中层液体为电解质，由纯氟化物体系或氯氟化物体系；最上层为精炼出来的铝液，用作阴极。53.阳极反应：阳极合金中，铜、铁、硅等比铝不活泼的金属元素，并不从阳极上溶解，仍然残留在合金内，Al→Al3+＋3e；Ca→Ca2+＋2e；Mg→Mg2+＋2e54.阴极反应：迁往阴极的各种阳离子当中，三价铝离子优先在阴极上得电子Al3+＋3e-→Al55.冰晶石氧化铝熔盐电解法的缺点或存在的问题:(1)冰晶石-氧化铝融盐电解法需要用大量电能。(2)铝厂的投资很大，年产量为十万吨的铝厂需要建造数百台电解槽(3)电解所用的原料和材料都很贵，而且电价也很高，所