拜耳法生产氧化铝课件

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1、北京科技大学北京科技大学 有色金属冶金系有色金属冶金系E-mail：（薛济来）（薛济来）（张（张娟）娟）第一篇第一篇 轻金属冶金学轻金属冶金学Part 1 Metallurgy on Ligh MetalsPart 1 Metallurgy on Ligh Metals第第1 1章章 铝冶金铝冶金Chapter 1 Aluminum Metallurgy拜耳法生产氧化铝拜耳法生产氧化铝烧结法生产氧化铝烧结法生产氧化铝拜尔拜尔烧结联合法烧结联合法氧化氧化铝的的生生产方法方法2.1.工工艺原理及工原理及工艺流程流程Al(OH)3+NaOH100 1)1,往往往往达达不不到到理理论论溶溶出出率率，所

2、所以以实实际溶出率际溶出率：实实=1-(=1-(A/S)A/S)泥泥/(/(A/S)A/S)矿矿 100%100%相对溶出率相对溶出率=实实/理理 TiOTiO2 2：0.58%0.58%，主主要要以以锐铁矿 、金金红石石存存在在。锐钛矿易易与与NaOHNaOH反反应应，溶溶出出时时生生成成钛钛酸酸钠钠NaNa2 2O3TiOO3TiO2 22H2H2 2O O，热热水水可可水水解解成成NaNa2 2O6TiOO6TiO2 2。尤尤其其一一水水硬硬铝铝石石，该该反反应应先先于于一一水水硬硬铝铝石石与与碱碱液液反反应应生生成成钛钛酸酸钠钠呈呈胶胶态态膜膜状状包包围围在在矿矿粒粒表表面面，阻阻止止

3、一一水硬铝石与碱液接触。水硬铝石与碱液接触。在在 较较 高高 温温 度度 和和 加加 石石 灰灰 时时，钛钛 酸酸 钠钠 转转 变变 为为 水水 合合 钛钛 酸酸 钙钙CaO2TiOCaO2TiO2 2HH2 2O O或或钛钛酸酸钙钙CaOTiOCaOTiO2 2。这这种种转转化化可可减减少少苛苛性性碱碱的的损损失失，但但会会在在高高温温预预热热器器或或溶溶出出器器上上沉沉积积一一层层难难消消除除的的钛钛酸酸钙钙结垢。结垢。TiOTiO2 2溶出溶出影响铝土矿溶出过程的因素主要决定于氧化铝的矿物成分主要决定于氧化铝的矿物成分溶出温度：温度溶出温度：温度，溶解度，溶解度，平衡溶液的摩尔比，平衡溶

4、液的摩尔比，对溶出，对溶出设备要求高设备要求高循环母液的碱浓度：母液的碱浓度循环母液的碱浓度：母液的碱浓度，未饱和度，未饱和度，溶解速度，溶解速度，溶出液分子比，溶出液分子比，母液的碱浓度尽可能接近分解原液，母，母液的碱浓度尽可能接近分解原液，母液蒸发工序热耗液蒸发工序热耗。配料摩尔比：矿石中氧化铝达到理论溶出率时溶液的摩尔比。配料摩尔比：矿石中氧化铝达到理论溶出率时溶液的摩尔比。搅拌强度：加强搅拌搅拌强度：加强搅拌添加石灰添加石灰2.3.加种子分解加种子分解（1）较高高的的分分解率或解率或产出率。出率。（2）氢氧氧化化铝结晶晶有有适适宜宜的的粒粒度度分分布布和和机机械械强度。度。种子分解种子

5、分解设备系系统：分解原液冷却（板式：分解原液冷却（板式热交交换器和器和闪速蒸速蒸发器）、分解器）、分解槽、槽、氢氧化氧化铝的分解和洗的分解和洗涤（过滤）。）。影响分解率和氢氧化铝粒度的因素分解原液的分解原液的浓度和分子比度和分子比分解温度分解温度种子的数量和种子的数量和质量量杂质的影响的影响2.4.氢氧化氧化铝的煅的煅烧硫化硫化闪速煅速煅烧炉炉目的：（目的：（1）除多余的水份（）除多余的水份（2）除碳酸）除碳酸钠等等盐类杂质，回收苛性碱，回收苛性碱蒸蒸发设备：外加：外加热式自然循式自然循环蒸蒸发器，降膜式蒸器，降膜式蒸发器、器、闪速蒸速蒸发器。器。对于需要蒸于需要蒸发到高到高浓度的母液采度的母

6、液采用两段蒸用两段蒸发较为合理。合理。2.5.分解母液蒸分解母液蒸发1858年年法法国国人人勒勒萨特特里里提提出出用用碳碳酸酸钠和和铝土土矿烧结，这种种方方法成品法成品质量差、耗量差、耗热量大，所以拜耳法提出后，被淘汰。量大，所以拜耳法提出后，被淘汰。1902年年 卡卡 帕帕 尔 提提 出出 用用 碳碳 酸酸 钠 和和 石石 灰灰 石石 与与 铝 土土 矿 烧 结（CaO/SiOCaO/SiO2 2=2 2），使使氧氧化化硅硅与与石石灰灰化化合合成成不不溶溶于于水水的的原原硅硅酸钙酸钙2CaO2CaO SiOSiO2 2，减轻氧化硅的危害。减轻氧化硅的危害。3.1.工工艺原理及工原理及工艺流程

7、流程对对于于低低品品位位的的铝铝土土矿矿（A/SA/S大大于于3.53.5）可可以以采采用用碱碱-石石灰灰烧烧结结法法处处理理。基基本本原原理理是是将将铝铝土土矿矿与与一一定定量量的的纯纯碱碱、石石灰灰（或或石石灰灰石石）配配成成炉炉料料在在高高温温（回回转转窑窑）下下进进行行烧烧结结得得到到固固体体铝铝酸酸钠钠NaNa2 2OAlOAl2 2O O3 3、使使氧氧化化硅硅与与石石灰灰化化合合成成不不溶溶于于水水的的原原硅硅酸酸钙钙2CaOSiO2CaOSiO2 2,而而氧氧化化铁铁与与纯纯碱碱化化合合成成可可以以水水解解的的铁铁酸酸钠钠NaNa2 2OFeOFe2 2O O3 3（NaOHN

8、aOH和和FeFe2 2O O3 3HH2 2O O），氧氧化化钛钛生生成成不不溶溶于于水水的的钛钛酸酸钙钙。用用水水或或稀稀碱碱溶溶液液溶溶出出熟熟料料，得得铝铝酸酸钠钠溶溶液液。经经脱脱硅硅净净化化的的铝铝酸酸钠钠溶溶液液用用碳碳酸酸化化分分解解法法（向向溶溶液液中中通通入入COCO2 2）使使溶溶液液中中的的氧氧化化铝铝成成氢氢氧氧化化铝铝结结晶晶析析出出。碳碳分分母母液液经经蒸蒸发发后后返返回回用于配制生料浆用于配制生料浆。生生料料配配料料和和烧结，熟熟料料溶溶出出，粗粗液液脱脱硅硅，碳碳酸酸化化分分解解，氢氧氧化化铝煅煅烧，碳分母液蒸碳分母液蒸发。碱石灰铝土矿熟料烧结熟料的物相组成铝

9、酸酸钠(Na2OAl2O3，无无色色结晶晶，熔熔点点1650)：Al2O3与与Na2CO3在在700-1150煅煅烧唯唯一一产物物，高高温温长时间加加热时能能生生成成部部分分氧氧化化铝(Na2O11Al2O3)。铝酸酸钠易易溶溶于于水水，无无过剩剩OH-会分解析出会分解析出氢氧化氧化铝。铁酸酸钠(Na2OFe2O3)：Fe2O3与与Na2CO3在在500-1150煅煅烧唯唯一一 产 物物，在在 高高 温温 下下 铁 酸酸 钠 分分 解解，生生 成成 部部 分分 氧氧 化化 铁(Na2O11Fe2O3)。高高温温下下铁酸酸钠中中的的Fe2O3可可被被Al2O3置置换生生成成铝酸酸钠。烧结时碱碱量

10、量不不足足，则主主要要生生成成铝酸酸钠。但但为了了熟熟料料溶溶出出时铝酸酸钠溶溶液液的的稳定定性性烧结时必必须同同时考考虑Fe2O3和和Al2O3确定配碱量。确定配碱量。硅酸二硅酸二钙(2CaOSiO2，熔点，熔点2130)：三种：三种稳定的定的变体体-2CaOSiO2 1420 -2CaOSiO2 675 -2CaOSiO2在在Fe2O3含量含量较高的高的铝土土矿熟料或拜耳法赤泥熟料中，都会出熟料或拜耳法赤泥熟料中，都会出现活性活性强的的-2CaOSiO2，造成，造成Na2O和和Al2O3损失。失。铝酸酸钠与硅酸二与硅酸二钙形成形成简单的二元共晶系，共晶温度的二元共晶系，共晶温度213010

11、。铁酸酸钠与硅酸二与硅酸二钙形成复形成复杂的二元共晶系，共晶温度的二元共晶系，共晶温度1100。钛酸酸钙(CaOTiOCaOTiO2 2)：配料：配料时石灰量必石灰量必须同同时考考虑氧化硅和氧化氧化硅和氧化钛的要求，否的要求，否则会引起氧化会引起氧化铝和碱的溶出率降低。和碱的溶出率降低。钛酸酸钙不溶不溶于水和碱溶液。于水和碱溶液。碱石灰铝土矿熟料烧结熟料的物相组成Na2OAl2O3Na2OFe2O32CaOSiO2系系含氧化硅和氧化铁较多的熟料中含氧化硅和氧化铁较多的熟料中Na2OAl2O3溶出率溶出率显著降低？著降低？这这种种熟熟料料在在烧烧结结时时会会出出现现较较多多的的液液相相，在在液液

12、相相结结晶晶过过程程中中，最最初初 可可 能能 生生 成成 三三 元元 化化 合合 物物 Na2OCaOSiO2、2Na2O8CaO5SiO2和和4CaOAl2O3Fe2O3作作为中中间产物物，当当熟熟料料冷冷却却过快快，这些些中中间产物物来来不不及及转变，仍仍保保留留在在熟熟料料中中，结果果使使碱碱和和氧氧化化铝的的溶溶出出率率降降低低。如如将将熟熟料料缓慢慢冷冷却却，这些些中中间产物物就就可可分分解解转变为平平衡衡产物物Na2OAl2O3、Na2OFe2O3和和2CaOSiO2。对于于高高铁含含量量的的熟熟料料，必必须在在900以以上上保保持持缓慢冷却，慢冷却，这样可以改善熟料可以改善熟料

13、质量。量。碱石灰铝土矿熟料烧结反应顺序配料条件：配料条件：Na2O/(Al2O3+Fe2O3)=1；CaO/SiO2=2；CaO/TiO2=1按上述分子比配料称按上述分子比配料称为熟料的熟料的标准配方或称准配方或称饱和配方。和配方。实际上各上各工厂工厂则是根据自己原料特点、工是根据自己原料特点、工艺条件及生条件及生产经验，通，通过试验研研究究对标准配方作某些准配方作某些调整，即所整，即所谓的非的非标准配方。准配方。以以碱碱石石灰灰烧结法法处理理含含高高铁和和含含硫硫较高高的的铝土土矿时，在在生生料料中加入中加入4-5%的固体的固体还原原剂（煤）取得了良好的（煤）取得了良好的经济效果效果。碱碱石

14、石灰灰烧结法法生生料料加加还原原剂烧结的的结果果：（1）使使熟熟料料中中大大部部分分硫硫转化化为二二价价硫硫化化物物，熟熟料料溶溶出出时从从赤赤泥泥排排出出。（2）由由于于铝土土矿中中部部分分氧氧化化铁还原原成成FeO和和FeS，配配料料中中可可以以减减少少碱碱的的配配比比，无无必必要要使使Fe2O3全全部部与与Na2O结合合，故故可可降降低低碱碱耗耗。（3）生生料料加加入入的的煤煤在在窑窑内内燃燃烧带以以前前燃燃烧，等等于于增增加加了了窑窑的的燃燃烧空空间，提高窑的，提高窑的发热能力。能力。熟料烧结设备3.2熟料溶出与赤泥分离洗涤溶出过程的主要反应铝酸酸钠:易溶于水和稀苛性碱溶液，溶解速度很

15、快。易溶于水和稀苛性碱溶液，溶解速度很快。Na2OAl2O3（固）（固）+4H2O 2Na2+2Al(OH)4-+热量量铁酸酸钠：不溶于水，在：不溶于水，在热水中快速水解水中快速水解为NaOH和和Fe(OH)3。硅硅酸酸二二钙:-2CaOSiO2在在水水中中发生生水水化化生生成成2CaOSiO2 1.7 H2 O，表表面面形形成成致致密密的的薄薄膜膜，阻阻止止水水化化继续进行行。CaOSiO2与与 NaOH反反 应 而而 被被 分分 解解 成成 Na2SiO3和和 Ca(OH)2，-2CaOSiO2 分分解解速速度度远大大于于-2CaOSiO2，使使溶溶出出液液含含有有SiO2，并造成氧化并造

16、成氧化铝和碱的二次反和碱的二次反应损失。失。钛酸酸钙：不溶于水和碱溶液，残留在赤泥中。：不溶于水和碱溶液，残留在赤泥中。二二价价硫硫化化物物：Na2S和和Na2SO4进入入溶溶液液，CaS和和FeS部部分分被被NaOH和和Na2 CO3分解分解变成成Na2SO4进入溶液，造成碱的入溶液，造成碱的损失。失。CaOSiO2与与NaOH反反应而而被被分分解解成成Na2SiO3和和Ca(OH)2，-2CaOSiO2 分分解解速速度度远大大于于-2CaOSiO2，使使溶溶出出液液含含有有SiO2，并造成氧化并造成氧化铝和碱的二次反和碱的二次反应损失。失。脱硅反脱硅反应：2Na2SiO3+(2+n)NaA

17、l(OH)4=Na2OAl2O32SiO2nNaAl(OH)4xH2O+4NaOH3Ca(OH)2+NaAl(OH)4=3CaOAl2O36H2O+2NaOHnNa2SiO3+3CaOAl2O36H2O=3CaOAl2O3nSiO2(6-2n)H2O(水化石榴石水化石榴石)+2nNaOH 2CaOSiO2+2Na2CO3+H2O=Na2 SiO3+2CaCO3+NaOH熟料溶出与赤泥分离洗涤溶出过程的二次反应减减少少二二次次反反应应损损失失（1）熟熟料料中中铝铝酸酸钠钠溶溶出出液液摩摩尔尔比比控控制制在在1.25左左右右，减减少少溶溶液液中中游游离离苛苛性性碱碱的的浓浓度度。（2）溶溶液液中中

18、Na2Oc浓浓度度保保持持不不大大于于30g/l，使使溶溶液液位位于于苛苛性性化化曲曲线线上上部部的的CaCO3稳稳定定区区。（3）在在不不显显著著影影响响赤赤泥泥沉沉降速度的条件下采取偏低的溶出温度降速度的条件下采取偏低的溶出温度78-82。（。（4）快速分离赤泥。）快速分离赤泥。烧结法赤泥法赤泥变性（赤泥膨性（赤泥膨胀）是采用）是采用沉降分离洗沉降分离洗涤设备系系统时威威胁生生产的的严重重问题，主要表，主要表现为沉降速度及其沉降速度及其缓慢慢，压缩层疏松疏松，压缩液固比很大液固比很大，形成，形成容容积庞大的胶聚状物体大的胶聚状物体；同同时有大量有大量悬浮赤泥微粒浮赤泥微粒进入溢流，俗称入溢

19、流，俗称“跑跑浑”，破，破环正常正常工作。工作。赤泥膨赤泥膨胀二次反二次反应烧结法赤泥沉降性能决定于赤泥法赤泥沉降性能决定于赤泥浆液的胶体化学性液的胶体化学性质，以不，以不同形式存在的同形式存在的贴的化合物起主要作用。的化合物起主要作用。保保证熟料熟料质量，采用高效赤泥分离量，采用高效赤泥分离设备和高效絮凝和高效絮凝剂。3.3铝酸钠溶液脱硅在溶液在溶液碳酸化分解之前碳酸化分解之前，必，必须对粗液粗液进行行专门的脱硅的脱硅处理。理。两段脱硅：两段脱硅：先在温度先在温度为150-170 的的压煮器煮器（脱硅机）中（脱硅机）中进行一段脱硅，使溶液行一段脱硅，使溶液A/S提高到提高到400，然后再在常

20、，然后再在常压下下加石灰加石灰进行二段脱硅，使溶液行二段脱硅，使溶液A/S提高到提高到1200-1500。3.4铝酸钠溶液碳酸化分解4 拜耳-烧结联合法特点：用于处理氧化铝与氧化硅质量比为特点：用于处理氧化铝与氧化硅质量比为5 5-7-7的的中等中等品位品位铝土矿，其特点是用铝土矿，其特点是用烧结法系统所得的铝酸钠烧结法系统所得的铝酸钠溶液来补充拜耳法系统中碱损失溶液来补充拜耳法系统中碱损失。形式：串联（美国、前苏联）、形式：串联（美国、前苏联）、并联（前苏联）、混联（中国）并联（前苏联）、混联（中国）（1 1）串联）串联 先用拜耳法处理中等品位铝土矿，然后用烧结法处先用拜耳法处理中等品位铝土

21、矿，然后用烧结法处理理拜耳法中留下来的赤泥拜耳法中留下来的赤泥中的氧化铝。中的氧化铝。（2 2）并联法）并联法 以拜耳法处理以拜耳法处理高品位高品位的铝土矿，的铝土矿，同时同时以烧结法处理以烧结法处理低品位低品位的铝土矿的氧化铝生产方法。的铝土矿的氧化铝生产方法。（两套流程并（两套流程并行）行）（3 3）混联法）混联法 先先用拜耳法处理高品位铝土矿，然后用用拜耳法处理高品位铝土矿，然后用拜耳法赤泥拜耳法赤泥+低品位铝土矿低品位铝土矿共同烧结的氧化铝生产方法。共同烧结的氧化铝生产方法。一个串联厂一个串联厂+一个烧结厂一个烧结厂 由于在处理由于在处理低铁铝土矿低铁铝土矿时，时，拜耳法赤泥烧结配入拜

22、耳法赤泥烧结配入的纯碱量不足以补充拜耳法系统的碱损失的纯碱量不足以补充拜耳法系统的碱损失，于是，于是采用采用拜耳法赤泥拜耳法赤泥加入加入低品位铝土矿低品位铝土矿共同烧结的方共同烧结的方法来扩大碱的来源。烧结法系统所产的铝酸钠溶法来扩大碱的来源。烧结法系统所产的铝酸钠溶液除补充拜耳法系统的碱耗外，液除补充拜耳法系统的碱耗外，多余的部分多余的部分通过通过碳化分解产出氢氧化铝。碳化分解产出氢氧化铝。缺点：缺点：流程长、设备繁多、控制复杂、流程长、设备繁多、控制复杂、能耗高能耗高。国内新方法：选矿国内新方法：选矿 拜耳法；拜耳法；国外：拜耳国外：拜耳 水热联合法、拜耳水热联合法、拜耳 高压水化高压水化学联合法学联合法