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1、铝冶金学,绪 论氧化铝生产金属铝生产,第一章,第二章,第三章,第四章,第五章,第三章 拜耳法生产氧化铝,3.1 拜耳法生产氧化铝基本原理3.2 拜耳法生产氧化铝工艺流程3.3 拜耳法生产氧化铝工序,拜耳法生产氧化铝的基本原理,基本原理：（l）铝酸钠溶液在添加晶种、不断搅拌的条件下，溶液中的氧化铝呈氢氧化铝析出，即种分过程。（2）铝酸钠溶液分解氢氧化铝后得到的母液，经蒸发浓缩后在高温下可用来溶出新的铝土矿，即溶出过程。交替使用这两个过程就能够每处理一批矿石，便得到一批氢氧化铝，构成所谓的拜耳法循环。Al2O3(1或3)H2O+2NaOH+aq2NaAl(OH)4+aq,Al2O3/,拜耳法循环图
2、,K3.40,K1.65,40,20,高压溶出溶出矿浆稀释和赤泥分离洗涤晶种分解氢氧化铝分离、洗涤、焙烧分解母液的蒸发与碳酸钠的苛化,预处理,浸出,提取,稀释矿浆,拜耳法工艺流程图,主要工序,高压溶出溶出目的及原料溶出过程中各组分的行为溶出过程的影响因素溶出过程中的结疤溶出设备,稀释矿浆,？,？,？,高压溶出,目的：就是用苛性碱溶液将铝土矿中的氧化铝溶出，生成铝酸钠溶液，使溶液充分脱硅，避免过量的SiO2影响，把苛性碱的消耗减至最少。原料：铝土矿：破碎后的铝土矿，（难溶的一水硬铝石 7080mm）母液组成：NaOH、NaAlO2、Na2CO3、Na2SO4。工业生产中一般采用循环母液来溶出铝土
3、矿。把铝土矿、石灰、循环母液、补充的苛性碱磨制成矿浆后在溶出设备中完成溶出过程。,铝土矿中各组分在溶出过程中的行为,氧化铝水合物氧化硅氧化铁氧化钛氧化钙、氧化镁,氧化铝水合物在溶出过程中的行为,铝土矿所含氧化铝水合物有三水铝石、一水软铝石、一水硬铝石。三水铝石，在常压下即可反应：Al(OH)3 2NaOH+aq2NaAlO2aq一水软铝石，在相应的高温（高压）及高碱浓度下发生反应：AlOOH2NaOHaq 2NaAlO2 aq刚玉在一般工业高压溶出条件下与苛性钠不发生作用而残留于赤泥中。,氧化硅水合物在溶出过程中的行为,铝土矿中的氧化硅一般以石英(SiO2)，蛋白石(SiO2.nH2O)、高岭
4、石(Al2O3.2SiO2.2H2O)等形式存在。无定形的蛋白石，不仅易溶于苛性碱溶液，而且还能溶于碳酸钠溶液，其反应方程式如下：SiO2.nH2O+2NaOH+aq=Na2SiO3+aq SiO2.nH2O+2Na2CO3+aq=Na2SiO3+CO2+aq石英只有在较高温度下(150)，才开始和苛性碱溶液起反应。高岭石在50 便开始与NaOH溶液显著作用。,氧化硅水合物在溶出过程中的行为,水合硅铝酸钠的生成Al2O3.2SiO2.2H2O+6NaOH+aq=2NaAlO2+2Na2SiO3+aq2NaAlO2+2Na2SiO3+aq=3 Na2O.Al2O3.nSiO2.nH2O+4NaO
5、H预脱硅,SiO2造成的危害,造成氧化铝和苛性碱的损失结疤影响产品质量,氧化铁水合物在溶出过程中的行为,铝土矿中主要含有赤铁矿(aFe2O3)，菱铁矿（FeCO3）针铁矿(aFeOOH)等。所有赤铁矿全部残留在赤泥中，成为赤泥的重要组成部分。针铁矿可以脱水为赤铁矿菱铁矿（FeCO3）与铝酸钠溶液反应生成高度分散的氧化亚铁，使赤泥的沉降性能变坏，同时使苛性钠转变为苏打。FeCO3+2NaOHFe(OH)2+Na2CO3,氧化铁水合物在溶出过程中的行为,铝土矿中主要含有赤铁矿(aFe2O3)，菱铁矿（FeCO3）针铁矿(aFeOOH)和水赤铁矿（Fe2O3-0.5H2O）等。铝土矿溶出时所有赤铁矿
6、全部残留在赤泥中，成为赤泥的重要组成部分。针铁矿可以脱水为赤铁矿菱铁矿（FeCO3）与铝酸钠溶液反应生成高度分散的氧化亚铁，使赤泥的沉降性能变坏，同时使苛性钠转变为苏打。FeCO3+2NaOHFe(OH)2+Na2CO3 在生产溶液中往往含有23毫克/升以铁酸钠形态溶解的铁，还含有细度在3微米以下的含铁矿物微粒，这些微粒很难滤除，则成为氢氧化铝被铁污染的来源。,氧化钛水合物在溶出过程中的行为,铝土矿含钛矿物多以金红石和锐钛矿物存在。氧化钛与苛性钠溶液作用生成钛酸钠。2NaOH+TiO2+aq=Na2OTiO22H2O+aq,氧化钛水合物在溶出过程中的行为,在溶出一水硬铝石时，氧化钛能引起氧化铝
7、溶出率降低和氧化钠损失，还在加热设备表面形成钛结疤。生产中为了消除氧化钛在溶出过程中的危害，一般采用添加石灰的办法，使TiO2与CaO作用生成不溶解的钛酸钙：2CaOTiO2十2H2O=2CaOTiO22H2O 由于钛酸钙结晶粗大松脆，易脱落，所以氧化铝溶出不受影响，并且消除了生成钛酸钠所造成的碱损失。,含钙、镁的矿物在溶出过程中的行为,铝土矿含少量方解石CaCO3和白云石CaCO3 MgCO3。碳酸盐是有害杂质，在碱液中容易分解，使苛性钠转变为碳酸钠。MeCO32NaOH=Na2CO3 Me(OH)2 3Me(OH)2 2NaAlO2=3MeOAl2O36H2O 2NaOH碳酸钠溶液苛化，返
8、回生产流程。水合硅铝酸钙（水化石榴石）3Ca(OH)2 2NaAlO2 mNa2SiO3=3CaOAl2O3mSiO2(6-2m)H2O2(1+m)NaOH+mH2O,稀释矿浆,高压溶出各组分的行为氧化铝水合物氧化硅氧化铁氧化钛氧化钙、氧化镁为什么补充苛性碱为什么添加石灰,影响铝土矿溶出过程的主要因素,主要的影响因素如下：（1）溶出温度（2）循环母液碱浓度和苛性比（3）矿石粒度（4）搅拌强度（5）石灰添加量,结疤现象,结疤的形成结疤的危害结疤的清除,高压溶出各元素的溶出行为溶出矿浆稀释为什么要稀释？为什么用洗液稀释？赤泥洗涤叶滤,稀释矿浆,溶出矿浆稀释：在分离之前用赤泥洗液稀释，其目的主要是：
9、（1）降低铝酸钠溶液的浓度，便于晶种分解（2）使铝酸钠溶液进一步脱硅（3）有利于赤泥分离（4）便于沉降槽的操作赤泥洗涤：是为了回收赤泥中带有的氧化钠和氧化铝，以减少损失。赤泥洗液再去稀释溶出矿浆是为了回收洗液中带有的氧化钠和氧化铝，同时使水得到循环。叶滤：目的是净化清除粗液中浮游物，使净化后的铝酸钠溶液含浮游物小于0.02g/l，满足产品质量要求。,高压溶出各元素的溶出行为溶出矿浆稀释晶种分解晶种分解的目的晶种分解的机理 晶种分解影响因素 晶种分解设备,稀释矿浆,晶种分解的目的,晶种分解（简称种分）就是在降温、加晶种、搅拌的条件下，使铝酸钠溶液分解，获得具有一定性能的氢氧化铝产品，同时得到分子
10、比较高的种分母液，作为溶出铝土矿的循环母液。种分过程是拜耳法生产氧化铝的关键工序之一。它对产品的产量、质量以及全厂的技术经济指标有着重大的影响。,晶种分解的机理,晶种分解是将铝酸钠溶液中的氧化铝以氢氧化铝结晶析出的过程：Al(OH)4-+xAl(OH)3(x+1)Al(OH)3+OH-氢氧化铝结晶析出的过程是极其复杂的，分解过程包括次生成核、晶粒破裂、晶体长大和附聚。,（1）次生成核 次生成核又叫二次成核，所形成的晶核成为次生晶核或二次晶核。在晶种分解过程中，生成晶核表面粗糙，长成向外突出细小的晶体，在颗粒相互碰撞或流体的剪切力作用下，这些细小晶体便脱离母晶而进入溶液中，成为新的晶核。分解温度
11、在75以上时，都无次生晶核形成。,（2）晶体长大 种分过程存在着晶体直接长大的过程，即在晶种表面结晶并沿平面展开，使晶粒直径长大。晶体长大的速度取决于分解条件。溶液的过饱和度大，有利于晶体长大。,（3）氢氧化铝破裂 破裂是颗粒之间的碰撞以及颗粒与糟壁、搅拌器之间的碰撞结果，使结晶体破裂，产生细小的新颗粒。氢氧化铝结晶粒度变细。,（4）附聚 附聚是指一些细小的晶粒互相依附并粘结成为一个较大晶体的过程。氢氧化铝颗粒附聚分为两部分：1细颗粒晶体互相碰撞，其中一些结合成松散的絮团，其机械强度小，容易重新分裂；2絮团在未分裂时，由于溶液分解出来的Al(OH)3起到了一种“粘结剂”的作用，将絮团中的各个晶
12、粒胶结在一起，形成了坚实的附聚物。溶液过饱和度大、温度高，有利于附聚。,晶种分解的主要影响因素,晶种分解的主要影响因素有：1.分解原液浓度和苛性比值2.分解温度3.晶种数量和品质4.分解时间和母液苛性比5.搅拌速度6.杂质的影响,空气搅拌分解槽示意图,MIG型种分槽结构示意图,高压溶出各元素的溶出行为溶出矿浆稀释晶种分解氢氧化铝制备分离洗涤煅烧,稀释矿浆,氢氧化铝分离、洗涤的主要目的,经种子分解或碳酸化分解得到的氢氧化铝浆液，用过滤设备将氢氧化铝和母液分离，分离得到的氢氧化铝一部分直接返回生产流程，作种子分解的晶种，其余部分经进一步洗涤生产氢氧化铝成品。氢氧化铝浆液经分离所得的氢氧化铝滤饼仍含
13、有一定量的分解母液，必须加以洗涤，以回收Na2O，并保证氢氧化铝产品中Na2O含量符合质量标准要求。,氢氧化铝焙烧,焙烧的目的：是在一定温度下把氢氧化铝的附着水和结合水脱除，并发生分解反应，形成氧化铝，再进行晶型转变，得到具有一定物理和化学性能的氧化铝产品。100-120 2Al(OH)3+附水Al2O33H2O+H2O200-250 失去两个结晶水转变为一水软铝石(Al2O3H2O)；Al2O33H2OAl2O3H2O+2 H2O 500左右 一水软铝石转变为无水-A12O3；Al2O3H2O-Al2O3+H2O900以上 转变为a-Al2O3；-Al2O3a-Al2O3,稀释矿浆,软水,高
14、压溶出溶出矿浆稀释和赤泥分离洗涤晶种分解氢氧化铝洗涤、焙烧分解母液的蒸发与碳酸钠的苛化分解母液蒸发的目的碳酸钠苛化的目的碳酸钠苛化的方法,分解母液的蒸发与一水碳酸钠的苛化,分解母液的蒸发：排除多余的水分（两次引入了水分），保持循环体系中水量的平衡，使蒸发母液达到拜耳法溶出的浓度要求。在蒸发的过程中，还排出了部分杂质碳酸钠（它是苛性碱与铝土矿中的碳酸盐和空气中的二氧化碳在溶出过程中发生反应生成的。溶解度随苛性碱浓度的提高和温度的降低而下降）一水碳酸钠的苛化 它是苛性碱与铝土矿中的碳酸盐和空气中的二氧化碳在溶出过程中发生反应生成的。母液每一次循环都有一部分（3）苛性碱变成了苏打。石灰法Na2CO3+Ca(OH)2+aq=2NaOH+CaCO3+aq,拜耳法主要内容,基本原理工艺流程：主要工序：原因、方法高压溶出：各组分行为、添加石灰、苛性碱的原因、结疤现象溶出矿浆稀释、赤泥洗涤：晶种分解：机理氢氧化铝分离、洗涤、焙烧分解母液的蒸发与碳酸钠的苛化,总结,拜耳循环高压溶出溶出矿浆稀释晶种分解分解母液的蒸发,稀释矿浆,
