钢铁冶金概论 非高炉炼铁ppt课件.ppt

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材料的熔炼第二节铝冶金与熔炼材料学院何代华1 主要内容一、铝的性质与用途二、炼铝原料和铝冶金特点三、氧化铝生产方法四、金属铝的生产五、铝合金的熔炼与凝固2 一、铝的性质和用途物理性质银白色，99.99%精铝，20℃时密度2.6989g/cm3，铝线的导电系数大约为铜导线的60%，具有良好的延性和展性。化学性质化学活性很强，可溶于盐酸、硫酸和碱溶液，与卤族元素、硫、碳都能化合，生成相应的化合物。用途纯铝和铝合金，应用于电气工业，交通运输，军事工业，建筑工业，轻工业。3 二、炼铝原料和铝冶金特点炼铝原料铝在地壳中的含量约为8.8%，仅次于氧、硅，居第三位。地壳中的含铝矿物约为250种，但具有开采价值的只有几种，其中最主要的矿石资源就是铝土矿，世界上95%以上的氧化铝都是用铝土矿生产的。铝土矿可分为三水铝石型一水软铝石型一水硬铝石型混合型等多种类型4 铝土矿的主要化学成分——Al2O3，质量一般为40%-70%。除了铝土矿外，可用于生产氧化铝的原料还有：明矾石(Na，K)2SO4Al(SO4)24Al(OH)2、霞石、高岭土等。铝硅比，即w(Al2O3)/w(Si2O2)衡量铝土矿的质量标准 铝冶金特点从铝土矿中提取铝，不能通过各种化学处理得到粗金属Why?与铝的特点有关：1）铝和其他轻金属一样，化学活性很强，容易和氧、卤族元素结合成稳定的化合物；2）在电位次序中属于最负电性的位置。铝冶金必须包括两个环节从铝的矿石中制取纯净的氧化铝采用融盐电解氧化铝得到纯铝6 铝的生产流程（Al2O3·3H2O）和Al2O3·H2O7 三、氧化铝生产方法拜耳法生产氧化铝从铝土矿中制取氧化铝的方法很多，但目前工业上几乎全部采用碱法（分为拜耳法、烧结法、联合法等多种流程）。自拜耳法（又叫湿碱法）发明以来，它一直是氧化铝生产中占绝对优势的一种方法，目前全世界90%氧化铝是用拜耳法生产的。8 拜耳法生产氧化铝的原理：在高温下，在压煮器中以NaOH溶液浸出铝土矿，使矿石中的氧化铝水合物熔浸出来，即使下面的反应向右进行，得到铝酸钠溶液，而其它杂质进入残渣中，将分离赤泥后的铝酸钠溶液在降温和稀释的条件下添加晶种，不断搅拌进行晶种分解，使下面反应向左进行，析出氢氧化铝。分解后的母液经蒸发又返回浸出下一批矿石。9 拜耳法生产氧化铝的工序(一)（1）铝土矿的浸出（在压煮器中以NaOH溶液浸出）1）氧化铝2）二氧化硅进入赤泥中10 3）氧化铁——溶出过程中不与NaOH反应，而以固相进入残渣，使残渣呈粉红色，所以溶出所得残渣称为赤泥。4）二氧化钛5）碳酸盐不溶解经高压溶出工序后，氧化铝进入溶液中，其他杂质如SiO2，TiO2等留在残渣（赤泥）中。 不同类型铝土矿，其溶出条件有很大的差异12 铝土矿的溶出是将若干个预热器、压煮器和自蒸发器依次串联称为一个压煮器组，实行连续作业13 （2）铝酸钠溶液的晶种分解直接影响产品的产量和质量的关键工序拜耳法生产氧化铝的工序(二)晶种：用来诱导结晶析出的不溶添加物，加快或促进与之晶型或立体构型相同的对映异构结晶的生长。14 影响铝酸钠溶液稳定性的主要因素：αk=溶液中Na2O与Al2O3的分子比1）溶液的浓度：溶液中Al2O3浓度＜25g/L和＞250g/L的溶液都很稳定，中等浓度不温度。2）溶液的苛性比值(αk)，αk↑，稳定性提高。3）溶液的温度：铝酸钠溶液浓度和苛性比值固定，随温度↓，稳定性↓。4）结晶核心的存在和搅拌作用：结晶核心特别是细小的Al(OH)3加入和实行机械搅拌，都会↑铝酸钠溶液分解。 铝酸钠溶液水解的反应式：铝酸钠溶液分解程度用分解率来表示：η分解=从溶液中分解析出的Al2O3的质量溶液中理论上Al2O3的质量×100% （3）氢氧化铝的煅烧使氢氧化铝完全脱水，并制得实际上不吸水的氧化铝。拜耳法生产氧化铝的工序(三)17 （4）母液的蒸发与苛化1）母液的蒸发平衡水量反苛化反应苛化反应：用石灰乳与碳酸钠溶液反应，使NaCO3转化为NaOH溶液的反应。2）苛化拜耳法生产氧化铝的工序(四)18 碱石灰烧结法生产氧化铝烧结法生产氧化铝的实质：铝土矿苏打(Na2CO3)石灰1200℃高温下烧结氧化硅与石灰化合生成不溶于水的原硅酸钙;氧化铝与苏打化合生成可溶于水的铝酸钠。19 （1）生料烧结由铝土矿、石灰和苏打组成的生料中，主要成分为Al2O3、Na2CO3、Fe2O3和SiO2等，各成分之间主要反应如下：碱石灰烧结法生成氧化铝的工艺流程下一工序除尘净化后供给碳酸化过程20 （2）熟料溶出烧结熟料经破碎后用稀碱溶液进行溶出，溶出过程主要反应是：赤泥21 （3）铝酸钠溶液的脱硅脱硅的基本方法有两种：长期加热溶液，促使铝硅酸钠沉淀(此沉淀即所谓“白泥”(或称硅渣)):往溶液中加入一定量石灰，使之生成溶解度更小的铝硅酸钙:22 （4）碳酸化分解把CO2炉气通入铝酸钠溶液中，使CO2与溶液中的苛性碱作用，发生中和反应，生成碳酸钠，使溶液降低，从而降低了溶液的稳定性，引起溶液的分解，反应如下：23送去煅烧 四、金属铝的生产1.概述熔盐电解法：用氧化铝、冰晶石（Na3AlF6）及其它氟化盐等作为电解质，把其放入有碳素阳极和阴极所组成的电解槽中，然后通入直流电，使电解质发生一系列物理化学变化，结果在阴极得到液体铝；在阳极得到氧，它使碳阳极氧化而析出气体CO2和CO，铝液用真空抬包抽出，经净化澄清之后，浇注成铝锭。24 2.铝电解生产工艺流程25 3.铝电解原理电解过程的实现——氧化铝和炭阳极不断消耗，从阴极析出金属铝，阳极上产生CO2气体。阴极的主要反应：阳极的主要反应：铝电解过程的总反应式：26 五、铝合金的熔炼与凝固1.铝合金的熔炼特性熔化时间长---熔化潜热大，比热大，黑度小，熔化消耗热量多，熔化速度慢。27 易氧化---对氧的亲和力大，能很快氧化，生成Al2O3，尽量减少氧化。易吸气---铝及铝合金的吸气能力较强（吸氢），尽量减少吸氢。Al(固)＋H2O－Al（OH）3＋[H]Al（OH）3－Al2O3＋H2OAl(液)＋H2O－Al2O3＋[H]Al＋CmHn－Al4C3＋[H]由于溶解度变化凝固时形成针孔[H]－H2上述反应形成的Al2O3细小，比重与Al相差不多，漂浮在铝液中。 容易吸收金属杂质---铝及铝合金中的一些合金化元素具有很高的化学活性，防止金属杂质的污染。夹杂和[H]的关系：a）表面的Al2O3膜能保护Al液不继续被氧化；b)同时也使过饱和的[H]不能向大气扩散。c）当温度＞900℃时，γ－Al2O3转变为α－Al2O3，比重变大，膜开裂，α－Al2O3膜下沉，铝液夹杂增多。所以必须低温熔炼。 1）成分合格：靠配料计算，注意烧损元素；2）温度合适：适中，720－750℃；3）含氢量[H]少；夹杂少（固相Al2O3）；4）进行变质（Al－Si合金Si量大于6%时）。前二条是熔炼所有合金的共性，后2条是铝合金的特性，也就是重点。铝合金的熔炼要求：：变质处理就是向金属液体中加入一些细小的形核剂（又称为孕育剂或变质剂），使它在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒，达到提高材料性能的目的。从这定义中可知，是作为晶核，就像水结冰时，岸边易结冰，因为岸边有结晶核心。 2.铝合金熔炼过程的一般原理熔炼目的：获得液体金属；控制气体及氧化夹杂物的含量，使其复合规定成分，保证铸件得到适当组织（晶粒细化）的高质量合金液。 （1）铝液中的气体和夹杂物的防止1）炉料2）坩埚及熔化浇注工具3）精炼剂、变质剂4）熔化、浇注过程的操作5）熔炼温度、熔炼及浇注过程的持续时间6）气候条件精炼剂---白色粉末状或颗粒状熔剂。由多种无机盐干燥处理后，按一定比例混合配制而成。作用：精炼剂主要是用于清除铝液内部的氢和浮游的氧化夹渣，使铝液更纯净，并兼有清渣剂的作用。特点：精炼剂中的部分组元在高温下极易分解，生成的气体易于氢反应，且与夹渣吸附力强，并迅速从熔体中逸出。其它组元兼有清渣剂作用。 （2）铝液中气体及夹杂物的去除（精炼过程）1）吸附精炼---通过铝熔体直接与吸附剂相接触，使吸附剂与熔体中的气体和固态非金属夹杂物发生物理化学的、物理和机械的作用，从而达到除气、除渣的方法。有吹气精炼、氯盐精炼、熔体过滤等。2）非吸附精炼---指不依靠在熔体中加入吸附剂，而通过某种物理作用，改变金属-气体系统或金属-夹杂物系统的平衡状态，从而使气体和固体非金属夹杂物从铝液中分离出来的方法。有静置处理、真空处理、超声波处理、预凝固处理等。 3.铝合金铸锭凝固的一般原理凝固：从液态转变成固态的状态变化过程液态金属浇入结晶器时，同冷的结晶器壁接触，迅速进行热交换且快速凝固，形成硬壳而使金属成型。---一次冷却结晶器壁使铸锭快速凝固，铸锭在径向轻微收缩，在铸锭和结晶器壁之间形成气隙。---二次冷却铸锭从结晶器中出来受到结晶器下面的喷水冷却时，铸锭迅速凝固。---三次冷却 END 目的：去Al2O3和[H]方法：1吹泡法：形成不溶不反应的气泡。液铝的和气泡的氢分压：[H]=k(PH2)1/2，当PH2＝0，[H]向气泡扩散，气泡上升将H和杂质带出。采用的气体有：N2，Cl2（Cl2，N2，CO）三气。其中Cl2能和[H]直接反应：Cl＋[H]＝HCl（气），效果最好，劳动条件最差。此外：ZnCl2＋Al＝ALCl3（气）＋Zn。最清洁的是N2，但效果最差。铝合金精炼目的和方法 22.熔剂法：扩散法原理：在液面上撒放熔剂：1）让熔剂吸附Al2O3；2）破坏表面Al2O3的连续性，使[H]。对熔剂的要求：1）对Al2O3有吸附性；2）熔点低于铝液，起覆盖作用；3）比重轻，上浮在铝液表面。熔剂种类：NaCl，KCl和冰晶石（Na3AlF6）过滤，真空加压：氢气孔形成条件：PH2＞Pa＋γh＋2σ/γ≈Pa；Pa越大，氢气孔越难形成。快速凝固法。氢气孔6.精练效果检查：表面观察法一点说明：精练[H]，Al2O3排一即可，只防出现H2针孔。铝熔炼要掌握一个“静”字；具体内容是“防，排，溶”三字。 铝硅合金的变质处理目的－改变（α（Al）＋Si）共晶体中Si的形貌。效果－Si的形貌，三维的菜花状变为树枝状，二维的片状变为椭圆状。方法－NaF＋Al－AlF＋Na。Na溶在铝液中。注意：1）变质后要在20分钟内浇注完毕，否则失效。2）长效变质剂－Sr，Bi，Te。3）过共晶Si的变质用P，但Na对过共晶Si无变质效果，P对共晶Si无变质效果。