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鋁的基礎知識

發布日期:2017-11-25 瀏覽次數:
一、什么是鋁    
 
   鋁是一種銀白色金屬,在地殼中含量僅次于氧和硅排在第三位。鋁的密度小,僅為鐵的34.61%、銅的30.33%,因此又被稱作輕金屬。拿同樣體積的鋁跟鋼鐵、銅比較,鋼鐵的重量是鋁的2.9倍,銅的重量是鋁的3.3倍,因此鋁又成為各種設施輕量化的首選金屬材料。    
    
   鋁是世界上產量和用量都僅次于鋼鐵的有色金屬。它既是常用的生產生活物資,又是重要的戰略物資。它具有輕便性、導電性、導熱性、可塑性(易拉伸、易延展)、耐腐蝕性(不生銹)等優良特性,所以成為機電、電力、航空、航天、造船、汽車制造、包裝、建筑、交通運輸、日用百貨、房地產等行業的重要原材料。我們每天都要跟鋁打交道,家里的餐具、炊具、門窗、電器,辦公室里的電腦、電話、文具、桌椅,工廠里的機器設備,出行乘坐的交通工具,無不與鋁有關。從日常生活用品到潛艇、戰機乃至火箭、飛船,鋁如影隨行、無處不在。隨著現代科學技術日新月異不斷向前發展以及新工業領域的不斷涌現,鋁的用途也越來越廣泛,需求量與日俱增,在國民經濟中發揮著越來越重要的作用。在我國現有124個產業中,有113個部門使用鋁產品,占91%。其中在101個物資生產部門中,有96個部門消耗鋁冶煉產品或壓延產品,占95%?,F在,鋁及鋁合金已能取代木材、鋼鐵、塑料等各種材料,其應用范圍之廣足以使現代生活的各個側面直接地受到影響。因此,目前世界各國都在根據各自的條件,積極發展本國的鋁工業。 
 
   二、鋁的特性    
 
   鋁及其合金的優良特點是外觀好、質輕、可機加工、物理和力學性能好、抗腐蝕,在很多應用領域中被認為最經濟實用。    
    
   鋁的密度只有2.7×103㎏/m3,約為鋼、銅或黃銅密度的1/3左右。由于鋁的材質輕,因此常用于制造汽車、火車、地鐵、船舶、飛機、火箭、飛船等陸??战煌üぞ?,以減輕自重增加裝載量。鋁在軍工中也有廣泛應用。    
 
   在大多數環境條件下,包括在空氣、水(或鹽水)、石油化學和很多化學體系中,鋁能顯示優良的抗腐蝕性。    
 
   鋁的表面具有高度的反射性,輻射能、可見光、輻射熱和電波都能有效地被鋁反射,而經陽極氧化和深色陽極氧化的表面可以是反射性的,也可以是吸收性的,拋光后的鋁在很寬波長范圍內反射優良,因而具有多種裝飾用途及反射功能性用途。    
 
   鋁通常顯示出優良的電導率,它的導電能率約為銅的三分之二,但由于其密度僅為銅的三分之一,因而,將等質量和等長度的鋁線和銅線相比,鋁的導電能力約為銅的二倍,且價格較銅低,應用成本低,所以常被電力工業和電子工業選用。目前,具有高電阻率的一些特定鋁合金也已經研制成功,這些合金可用于如高轉榘的電動機中。   鋁的熱導率很高,僅次于銅,鋁的導熱能力比鐵大3倍,大約是銅的50%~60%。銅的導熱性雖然最佳,可是制造同樣大小的工件重量要比鋁大很多,價格也比鋁貴很多。因此,制造散熱器鋁仍是首選。鋁的性價比對制造熱交換器、蒸發器、加熱電器、炊事用具,以及汽車的缸蓋與散熱器都很有利。    
 
   鋁是非鐵磁性的,這對電氣工業和電子工業而言是一個極其重要的特性。    
 
   鋁是不能自燃的,這對涉及裝卸或接觸易燃易爆材料的行業來說十分重要。鋁的毒性非常微小,通常用于制造盛食品和飲料的容器。近年來,鋁箔在香煙、藥品、食品的包裝方面應用越來越廣泛,已成為包裝業的重要材料。    
 
   鋁的自然表面狀態具有宜人的外觀。它柔軟、有光澤,而且為了美觀,還可著色或染上紋理圖案。在現代生活中,鋁已經廣泛地應用在建筑行業和日用百貨中。鋁還具有良好的吸音性能,根據這一特點,-些廣播室、現代化大建筑內的天花板等有的采用了鋁。    
 
   鋁的可塑性非常好。純的鋁很軟,強度不大,有著良好的延展性,可拉成細絲和軋成箔片,具有良好的可機加工性,大量用于電線、電纜制造業和無線電工業以及包裝業。在某些金屬中加入少量鋁,便可大大改善其性能。如在鋁中加入少量鎂、銅,可制得堅韌的鋁合金;又如青銅鋁(含鋁4%~15%)合金,具有高強度的耐蝕性,硬度與低碳鋼接近,且有不易變暗的金屬光澤,常用于珠寶飾物和建筑業中,用于機器的零件和工具制造,用于酸洗設備和其它與稀硫酸、鹽酸和氫氟酸接觸的設備,可制作電焊機電刷和夾柄、重型齒輪和蝸輪、金屬成型模、機床導軌、不發生火花的工具、無磁性鏈條、壓力容器、熱交換器、壓縮機葉片、船舶螺旋漿和錨等。在鋁中加入鎂,便制得鋁鎂合金,其硬度比純的鎂和鋁都大許多,而且保留了其質輕的特點,常用于制造飛機的機身、火箭的箭體、門窗,美化居室環境,制造船舶;在鋁里添加其它金屬成份,可以變成各種各樣的鋁合金,一些鋁合金在強度上甚至超過結構鋼材。    
 
   鋁的連接也很容易,可用各式各樣的方法,包括熔焊、電阻焊、硬焊、軟焊、粘結以及諸如鉚接和栓接之類的機械方法。    
 
   與鐵相比,鋁不易銹蝕,延長了使用壽命。因此,鋁具有極高的回收性,再生鋁的特性與原生鋁幾乎沒有區別,這點使鋁成為環保人士的寵兒。 
 
   三、鋁的主要用途    
 
   由于具有優良的物理性能,鋁在國民經濟各行業和國防工業中得到了廣泛的應用。鋁作為輕型結構材料,重量輕、強度大,海、陸、空各種運載工具,特別是飛機、導彈、火箭、人造地球衛星等,均使用大量的鋁,一架超音速飛機的用鋁量占其自身重量的70%,一枚導彈用鋁量占其總重量的10%以上;用鋁和鋁合金制造的各種車輛,可以減少能耗,其所節省的能量遠遠超過煉鋁時所消耗的能量;在建筑工業中用鋁合金做房屋的門窗及結構材料;用鋁制作太陽能收集器,可以節能;在電力輸送方面,鋁的用量居首位,90%的高壓電導線是用鋁制作的;在食品工業上,從儲槽到罐頭盒,以至飲料容器大多用鋁制成;鋁粉可做難熔金屬(如鉬等)的還原劑和做煉鋼中的脫氧劑,日常生活所用的鍋、盤、匙等大多由鋁制成。    
 
   鋁的化合物如氫氧化鋁可用來制備鋁鹽、吸附劑、媒染劑和離子交換劑,也可作為瓷釉、耐火材料等的原料,在醫藥上用作酸藥,有中和胃酸和治療潰瘍的作用;偏鋁酸鈉常用于印染織物;無水氯化鋁是石油工業和有機合成中常用的催化劑;六水合氯化鋁可用于制備除臭劑、安全消毒劑;六氟合鋁酸鈉(即冰晶石),在農業上常用作殺蟲劑;磷化鋁遇潮濕或酸放出劇毒的磷化氫氣體,可毒死害蟲,農業上用作谷倉殺蟲的熏蒸劑;硫酸鋁常用作造紙的填料;硝酸鋁可用來鞣革和制白熱電燈絲,也可用作媒染劑;硅酸鋁常用于制玻璃、陶瓷、油漆的顏料以及油漆、橡膠和塑料的填料等;硫糖鋁又名胃潰寧,學名蔗糖硫酸酯堿式鋁鹽,它能和胃蛋白酶結合,直接抑制蛋白分解活性,作用較持久,并能形成一種保護膜,對胃粘膜有較強的保護作用和制酸作用,幫助粘膜再生,促進潰瘍愈合,毒性低,是一種良好的胃腸道潰瘍治療劑。    
 
   近些年,人們又開發了一些新的含鋁化合物,如用作復合木地板耐磨層的三氧化二鋁,還有烷基鋁、納米氧化鋁等。隨著科學的發展,人們將會更多更好地利用鋁及化合物造福人類。 
 
   四、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-氧化鋁制?。娊怃X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。    
 
  ?。ㄒ唬┭趸X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。由于技術和經濟方面的原因,有些方法已被淘汰,有些還處于試驗研究階段。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。目前用于大規模工業生產的只有堿法。    
 
   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,我國可用于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,主要雜質是氧化硅、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、鎵、鈧、硫等元素的化合物及有機物等。其中鎵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,成為生產鎵的主要來源。    
 
   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硅含量的比值,俗稱鋁硅比。    
 
   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硅則成為不溶解的化合物。將不溶解的殘渣(赤泥)與溶液分離,經洗滌后棄去或進行綜合處理,以回收其中的有用組分。純凈的鋁酸鈉溶液即可分解析出氫氧化鋁,經分離、洗滌后進行煅燒,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)于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面已經有了許多改進,但基本原理并未發生變化。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,然后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,含硅礦物會引起Al2O3和Na2O的損失。    
 
   在拜耳法流程中,鋁土礦經破碎后,和石灰、循環母液一起進入濕磨,制成合格礦漿。礦漿經預脫硅之后預熱至溶出溫度進行溶出。溶出后的礦漿再經過自蒸發降溫后進入稀釋及赤泥(溶出后的固相殘渣)的沉降分離工序。自蒸發過程產生的二次汽用于礦漿的前期預熱。沉降分離后,赤泥經洗滌進入赤泥堆場,而分離出的粗液(含有固體浮游物的鋁酸鈉溶液,以下同)送往葉濾。粗液通過葉濾除去絕大部分浮游物后稱為精液。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后,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。晶種分解后分離出的分解母液經蒸發返回溶出工序,形成閉路循環。氫氧化鋁經焙燒后得到氧化鋁。    
 
   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于240℃的溫度下進行溶出,其典型的工業溶出溫度為260℃。溶出時間不低于60分鐘。    
 
   拜耳法用于處理高鋁硅比的鋁土礦,流程簡單,產品質量高,其經濟效果遠比其它方法為好。用于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。由于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。聯合法又可分為并聯聯合法、串聯聯合法與混聯聯合法。采用什么方法生產氧化鋁,主要是由鋁土礦的品位(即礦石的鋁硅比)來決定的。從一般技術和經濟的觀點看,礦石鋁硅比為3左右通常選用燒結法;鋁硅比高于10的礦石可以采用拜耳法;當鋁土礦的品位處于二者之間時,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。    
 
  ?。ǘ┰X、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于1886年發明?;魻枺t斾X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。由于自焙槽技術在電解過程中電耗高、并且不利于對環境的保護,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。由于鋁及其合金具有優良的可加工性能,所以通過鍛、鑄、軋、沖、壓等方法生產板、帶、箔、管、線等型材。 
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