鋁的開采和冶煉
2020-12-16 16:25:10
鋁及其合金概述
鋁是一種銀白色金屬，熔點為660°C（1,220°F），密度為2.7克/立方厘米。鋁元素在地球表面的含量僅次于氧和硅，居第三位。在純狀態(tài)下，它柔軟而易延展，但可以與許多其他元素制成合金，以增加強(qiáng)度并提供許多有用的性能。鋁合金重量輕，堅固并且可以通過幾乎所有已知的金屬加工工藝成型。它們可以鑄造、擠壓、可以通過多種技術(shù)連接，并且容易加工，可以處理成多種飾面。
除了低密度之外，鋁及其合金的許多應(yīng)用還基于其高電導(dǎo)率和導(dǎo)熱率，高反射率以及耐腐蝕性能。它的耐腐蝕性能歸功于連續(xù)的氧化鋁膜，該膜在暴露于空氣的新生鋁表面上迅速生長。
鋁具有與其他常見元素結(jié)合的強(qiáng)烈趨勢，因此自然界中很少以金屬形式出現(xiàn)。然而，其化合物實際上是常見巖石的重要組成部分。它存在于粘土，頁巖，板巖，片巖，花崗巖，正長巖和鈣長石中。
鋁礦業(yè)
到目前為止，商業(yè)上開采的鋁土礦數(shù)量大部分是地球表面或附近。因此，它被開采露天礦只需很少的覆蓋層去除。鋁土礦床經(jīng)過噴砂處理后松散并用電鏟或拉鏟進(jìn)行挖掘，礦石通過卡車，鐵路或傳送帶運輸?shù)郊庸S，在這里進(jìn)行破碎以方便處理。如果可能，精煉廠位于礦場附近，因為運輸是鋁土礦成本的主要項目。
開采的鋁土礦中約有90％被精煉成氧化鋁，最終被熔煉成鋁。剩余的10％用于其他應(yīng)用，例如用于原油回收的磨料，耐火材料和支撐劑。大約四噸高級鋁土礦可生產(chǎn)兩噸氧化鋁，并由此生產(chǎn)一噸鋁。
精煉鋁礦石
精煉鋁土礦、粘土或其他礦石以獲得氧化鋁的方法有很多種：堿法、酸法和熱法。工業(yè)生產(chǎn)的氧化鋁純度一般不高，也不足以生產(chǎn)出高純度的電熱氧化鋁。中國和俄羅斯采用石灰和蘇打處理礦石的工藝。
拜耳法涉及四個步驟：消化，澄清，沉淀和煅燒。
第一步，將鋁土礦研磨，用苛性蘇打（氫氧化鈉）制成漿狀，然后泵入稱為蒸煮器的大型壓力罐中，礦石在其中經(jīng)受蒸汽加熱和加壓。氫氧化鈉與鋁土礦中的鋁礦物反應(yīng)形成飽和的鋁酸鈉溶液。不溶性雜質(zhì)（稱為赤泥）保留在懸浮液中，并在澄清步驟中分離。
消化后，混合物通過一系列減壓罐（稱為排放罐），在其中將溶液閃蒸至大氣壓。 （閃蒸中產(chǎn)生的蒸汽用于加熱苛性溶液，使其返回到消化狀態(tài)。）該過程的下一步是從鋁酸鈉溶液中分離出不溶性赤泥。在稱為沙池的粗旋風(fēng)分離器中除去粗物質(zhì)（例如海灘沙）。加入合成絮凝劑后，細(xì)小的殘留物沉淀在耙式濃縮機(jī)中，濃縮機(jī)溢流中的固體通過濾布去除。然后將這些殘留物洗滌，合并并丟棄。澄清后的溶液在熱交換器中進(jìn)一步冷卻，提高了溶解的氧化鋁的過飽和度，然后泵入高大的筒狀沉淀器中。
將大量的氫氧化鋁晶體添加到沉淀器中的溶液中作為晶種以加快晶體分離。種晶吸引其他晶體并形成附聚物。它們分為較大的產(chǎn)品尺寸材料和較細(xì)的材料，這些材料可作為種子回收。過濾產(chǎn)品尺寸的氫氧化鋁晶體附聚物，洗滌以除去夾帶的苛性堿或溶液，然后在回轉(zhuǎn)窯或固定式流化床快速煅燒爐中在超過960°C（1,750°F）的溫度下煅燒。除去游離水和化學(xué)結(jié)合的水，剩下市售純氧化鋁（或氧化鋁）干燥，細(xì)小的白色粉末，外觀和稠度類似于糖。它是一半的鋁和一半的氧氣，它們的結(jié)合牢固，以至于化學(xué)物質(zhì)和熱量都無法將它們分開。
在第二次世界大戰(zhàn)期間，開發(fā)了Alcoa組合工藝，用于加工含有相對較高百分比的二氧化硅的低品位礦石。簡而言之，該方法回收的是在消化過程中與二氧化硅結(jié)合并已用赤泥濾出的氧化鋁。不會丟棄赤泥，而是將其與石灰石（碳酸鈣）和蘇打粉（碳酸鈉）一起加熱，以產(chǎn)生含有可浸出鋁酸鈉的燒結(jié)產(chǎn)品。以類似于鋁土礦的方式消化或浸出該產(chǎn)品，以從不溶性鐵，鈣和硅材料中提取鋁酸鈉。然后，淤漿繼續(xù)進(jìn)行拜耳法的其余步驟。廢渣稱為棕泥。
拜耳法生產(chǎn)的氧化鋁非常純凈，僅包含百分之幾的鐵和硅。主要雜質(zhì)（殘留蘇打）的含量為0.2％至0.6％。氧化鋁本身不僅是生產(chǎn)金屬鋁的主要原料，而且還是重要的化學(xué)物質(zhì)。它廣泛用于化學(xué)，耐火材料，陶瓷和石油工業(yè)。
精煉四噸鋁土礦可生產(chǎn)約兩噸氧化鋁。一個典型的氧化鋁廠，采用拜耳法，每天可生產(chǎn)4,000噸氧化鋁。氧化鋁的成本可以變化很大，這取決于工廠的規(guī)模和效率，人工成本和間接費用以及鋁土礦的成本。
鋁冶煉
雖然有幾種生產(chǎn)鋁的方法，但只有一種用于商業(yè)用途。Deville法是金屬鈉與氯化鋁的直接反應(yīng)，是19世紀(jì)后期鋁生產(chǎn)的基礎(chǔ)，但它已被放棄，取而代之的是更經(jīng)濟(jì)的電解工藝。碳熱法是還原（除去）金屬氧化物中氧的經(jīng)典方法，多年來一直是研究的重點。這涉及到將氧化物與碳一起加熱以產(chǎn)生一氧化碳和鋁。碳熱熔煉的吸引力在于可以繞過氧化鋁精煉，從比鋁土礦品位低的礦石和比石油焦品位低的碳開始。然而，盡管經(jīng)過多年的深入研究，拜耳-霍爾-赫魯特法還沒有找到經(jīng)濟(jì)上的競爭對手。
雖然原則上沒有改變，但今天的霍爾-赫魯爾特熔煉工藝在規(guī)模和細(xì)節(jié)上與原工藝有很大的不同。現(xiàn)代技術(shù)在設(shè)備和材料方面有了實質(zhì)性的改進(jìn)，并降低了最終成本。
在現(xiàn)代冶煉廠，氧化鋁被溶解在深而長方形的鋼坯殼中，鋼坯內(nèi)襯碳，鋼坯內(nèi)充滿熔融電解質(zhì)，電解液主要由鈉、鋁和氟組成，稱為冰晶石。
通過碳陽極，直流電通過電解液進(jìn)入電池底部的碳陰極內(nèi)襯。在熔池表面形成一層結(jié)殼。氧化鋁被添加到這個外殼的頂部，在那里它被來自電池的熱量預(yù)熱（大約950°C[1750°F]），并且其吸附的水分被趕走。結(jié)殼會周期性地破碎，氧化鋁被送入槽中。在較新的電解槽中，氧化鋁通過自動加料機(jī)直接送入熔池。
電解的結(jié)果是熔融鋁沉積在電解槽底部，二氧化碳在碳陽極上析出。每生產(chǎn)一公斤（2.2磅）的鋁消耗大約450克（1磅）的碳。每生產(chǎn)一公斤鋁，大約消耗2公斤氧化鋁。
冶煉過程是連續(xù)的。定期向槽中添加額外的氧化鋁，以取代還原過程中消耗的氧化鋁。電流產(chǎn)生的熱量使熔池保持在熔融狀態(tài)，從而使新鮮氧化鋁溶解。熔化的鋁會周期性地被虹吸掉。
因為冰晶石電解液中的一些氟化物在這個過程中流失了，根據(jù)需要添加氟化鋁，以恢復(fù)鍍液的化學(xué)成分。含有過量氟化鋁的浴缸能提供更高的效率。
在實際實踐中，長排的電解槽串聯(lián)連接。槽的正常電壓范圍為4至6伏，電流負(fù)載范圍為30,000至300,000安培。從50到250個電位器可以形成總電壓超過1,000伏的單個電位器。功率是鋁加工中昂貴的成分之一。自1900年以來，鋁生產(chǎn)商一直在尋找廉價的水力發(fā)電資源，但也不得不建造許多利用化石燃料能源的設(shè)施�？萍嫉倪M(jìn)步減少了生產(chǎn)一公斤鋁所需的電能。
熔化的鋁從電池中虹吸到大坩堝中。從那里，金屬可以直接澆注到模具中生產(chǎn)鑄錠，也可以轉(zhuǎn)移到保溫爐中進(jìn)一步精煉或與其他金屬合金化，或兩者兼而有之，形成制造鑄錠。