鋁的冶煉方法

冶煉鋁可以用熱還原法，但是成本太高。工業上冶煉鋁應用電解法，主要原理是霍爾-埃魯鋁電解法：以純淨的氧化鋁為原料采用電解製鋁，因純淨的氧化鋁熔點高（約2045℃），很難熔化，所以工業上都用熔化的冰晶石(Na3AlF6)作熔劑,使氧化鋁在1000℃左右溶解在液態的冰晶石中，成為冰晶石和氧化鋁的熔融體，然後在電解槽中，用碳塊作陰陽兩極，進行電解。全麵介紹如下：《鋁的生產加工》鋁在生產過程中有四個環節構成一個完整的產業鏈：鋁礦石開采－氧化鋁製取－電解鋁冶煉－鋁加工生產。一般而言，兩噸鋁礦石生產一噸氧化鋁；兩噸氧化鋁生產一噸電解鋁。（一）氧化鋁的生產方法迄今為止，已經提出了很多從鋁礦石或其它含鋁原料中提取氧化鋁的方法。由於技術和經濟方麵的原因，有些方法已被淘汰，有些還處於試驗研究階段。已提出的氧化鋁生產方法可歸納為四類，即堿法、酸法、酸堿聯合法與熱法。目前用於大規模工業生產的隻有堿法。鋁土礦是世界上最重要的鋁礦資源，其次是明礬石、霞石、粘土等。目前世界氧化鋁工業，除俄羅斯利用霞石生產部分氧化鋁外，幾乎世界上所有的氧化鋁都是用鋁土礦為原料生產的。鋁土礦是一種主要由三水鋁石、一水軟鋁石或一水硬鋁石組成的礦石。到目前為止，我國可用於氧化鋁生產的鋁土礦資源全部為一水硬鋁石型鋁土礦。鋁土礦中氧化鋁的含量變化很大，低的僅約30％，高的可達70％以上。鋁土礦中所含的化學成分除氧化鋁外，主要雜質是氧化矽、氧化鐵和氧化鈦。此外，還含有少量或微量的鈣和鎂的碳酸鹽、鉀、鈉、釩、鉻、鋅、磷、镓、鈧、硫等元素的化合物及有機物等。其中镓在鋁土礦中含量雖少，但在氧化鋁生產過程中會逐漸在循環母液中積累，從而可以有效地回收，成為生產镓的主要來源。衡量鋁土礦優劣的主要指標之一是鋁土礦中氧化鋁含量和氧化矽含量的比值，俗稱鋁矽比。用堿法生產氧化鋁時，是用堿（NaOH或Na2CO3）處理鋁礦石，使礦石中的氧化鋁轉變成鋁酸鈉溶液。礦石中的鐵、鈦等雜質和絕大部分的矽則成為不溶解的化合物。將不溶解的殘渣（赤泥）與溶液分離，經洗滌後棄去或進行綜合處理，以回收其中的有用組分。純淨的鋁酸鈉溶液即可分解析出氫氧化鋁，經分離、洗滌後進行煆燒，便獲得氧化鋁產品。分解母液則循環使用來處理另一批礦石。堿法生產氧化鋁有拜耳法、燒結法以及拜耳--燒結聯合法等多種流程。拜耳法是由奧地利化學家拜耳（K·J·Bayer）於1889～1892年發明的一種從鋁土礦中提取氧化鋁的方法。一百多年來在工藝技術方麵已經有了許多改進，但基本原理並未發生變化。為紀念拜耳這一偉大貢獻，該方法一直沿用拜耳法這一名稱。拜耳法包括兩個主要過程。首先是在一定條件下氧化鋁自鋁土礦中的溶出（氧化鋁工業習慣使用的術語，即浸出。以下同）過程，然後是氫氧化鋁自過飽和的鋁酸鈉溶中水解析出的過程，這就是拜耳提出的兩項專利。拜耳法的實質就是以濕法冶金的方法，從鋁土礦中提取氧化鋁。在拜耳法氧化鋁生產過程中，含矽礦物會引起Al2O3和Na2O的損失。在拜耳法流程中，鋁土礦經破碎後，和石灰、循環母液一起進入濕磨，製成合格礦漿。礦漿經預脫矽之後預熱至溶出溫度進行溶出。溶出後的礦漿再經過自蒸發降溫後進入稀釋及赤泥（溶出後的固相殘渣）的沉降分離工序。自蒸發過程產生的二次汽用於礦漿的前期預熱。沉降分離後，赤泥經洗滌進入赤泥堆場，而分離出的粗液（含有固體浮遊物的鋁酸鈉溶液，以下同）送往葉濾。粗液通過葉濾除去絕大部分浮遊物後稱為精液。精液進入分解工序經晶種分解得到氫氧化鋁。分解出的氫氧化鋁經分級和分離洗滌後，一部分作為晶種返回晶種分解工序，另一部分經焙燒得到氧化鋁產品。晶種分解後分離出的分解母液經蒸發返回溶出工序，形成閉路循環。氫氧化鋁經焙燒後得到氧化鋁。不同類型的鋁土礦所需要的溶出條件差別很大。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於240℃的溫度下進行溶出，其典型的工業溶出溫度為260℃。溶出時間不低於60分鍾。拜耳法用於處理高鋁矽比的鋁土礦，流程簡單，產品質量高，其經濟效果遠比其它方法為好。用於處理易溶出的三水鋁石型鋁土礦時，優點更是突出。目前，全世界生產的氧化鋁和氫氧化鋁，90%以上是用拜耳法生產的。由於中國鋁土礦資源的特殊性，目前中國大約50%的氧化鋁是由拜耳法生產的。將拜耳法和燒結法二者聯合起來的流程稱之為聯合法生產工藝流程。聯合法又可分為並聯聯合法、串聯聯合法與混聯聯合法。采用什麽方法生產氧化鋁，主要是由鋁土礦的品位（即礦石的鋁矽比）來決定的。從一般技術和經濟的觀點看，礦石鋁矽比為3左右通常選用燒結法；鋁矽比高於10的礦石可以采用拜耳法；當鋁土礦的品位處於二者之間時，可采用聯合法處理，以充分發揮拜耳法和燒結法各自的優點，達到較好的技術經濟指標。目前全球氧化鋁年產量在5500萬噸左右，我國的氧化鋁產量約為680萬噸。（二）原鋁、鋁合金及鋁材的生產方法目前工業生產原鋁的唯一方法是霍爾－埃魯鋁電解法。由美國的霍爾和法國的埃魯於1886年發明。霍爾－埃魯鋁電解法是以氧化鋁為原料、冰晶石（Na3AlF6）為熔劑組成的電解質，在950－970℃的條件下通過電解的方法使電解質熔體中的氧化鋁分解為鋁和氧，鋁在碳陰極以液相形式析出，氧在碳陽極上以二氧化碳氣體的形式逸出。每生產一噸原鋁，可產生1.5噸的二氧化碳，綜合耗電在15000kwh左右。工業鋁電解槽大體上可以分為側插陽極自焙槽、上插陽極自焙槽和預焙陽極槽三類。由於自焙槽技術在電解過程中電耗高、並且不利於對環境的保護，所以自焙槽技術正在被逐漸淘汰。目前全球原鋁年產量約為2800萬噸，我國的原鋁年產量約為700萬噸。必要時可以對電解得到的原鋁進行精煉得到高純鋁。目前的鋁合金生產方法主要以熔配法為主。由於鋁及其合金具有優良的可加工性能，所以通過鍛、鑄、軋、衝、壓等方法生產板、帶、箔、管、線等型材。