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铝的基础知识

卓创资讯 王瑜 编辑于 2017-08-16 14:29:06
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  一、什么是铝   

  铝是一种银白色金属,在地壳中含量仅次于氧和硅排在第三位。铝的密度小,仅为铁的34.61%、铜的30.33%,因此又被称作轻金属。拿同样体积的铝跟钢铁、铜比较,钢铁的重量是铝的2.9倍,铜的重量是铝的3.3倍,因此铝又成为各种设施轻量化的首选金属材料。   

  铝是世界上产量和用量都仅次于钢铁的有色金属。它既是常用的生产生活物资,又是重要的战略物资。它具有轻便性、导电性、导热性、可塑性(易拉伸、易延展)、耐腐蚀性(不生锈)等优良特性,所以成为机电、电力、航空、航天、造船、汽车制造、包装、建筑、交通运输、日用百货、房地产等行业的重要原材料。我们每天都要跟铝打交道,家里的餐具、炊具、门窗、电器,办公室里的电脑、电话、文具、桌椅,工厂里的机器设备,出行乘坐的交通工具,无不与铝有关。从日常生活用品到潜艇、战机乃至火箭、飞船,铝如影随行、无处不在。随着现代科学技术日新月异不断向前发展以及新工业领域的不断涌现,铝的用途也越来越广泛,需求量与日俱增,在国民经济中发挥着越来越重要的作用。在我国现有124个产业中,有113个部门使用铝产品,占91%。其中在101个物资生产部门中,有96个部门消耗铝冶炼产品或压延产品,占95%。现在,铝及铝合金已能取代木材、钢铁、塑料等各种材料,其应用范围之广足以使现代生活的各个侧面直接地受到影响。因此,目前世界各国都在根据各自的条件,积极发展本国的铝工业。

  二、铝的特性   

  铝及其合金的优良特点是外观好、质轻、可机加工、物理和力学性能好、抗腐蚀,在很多应用领域中被认为最经济实用。   

  铝的密度只有2.7×103kg/m3,约为钢、铜或黄铜密度的1/3左右。由于铝的材质轻,因此常用于制造汽车、火车、地铁、船舶、飞机、火箭、飞船等陆海空交通工具,以减轻自重增加装载量。铝在军工中也有广泛应用。   

  在大多数环境条件下,包括在空气、水(或盐水)、石油化学和很多化学体系中,铝能显示优良的抗腐蚀性。  

  铝的表面具有高度的反射性,辐射能、可见光、辐射热和电波都能有效地被铝反射,而经阳极氧化和深色阳极氧化的表面可以是反射性的,也可以是吸收性的,抛光后的铝在很宽波长范围内反射优良,因而具有多种装饰用途及反射功能性用途。

  铝通常显示出优良的电导率,它的导电能率约为铜的三分之二,但由于其密度仅为铜的三分之一,因而,将等质量和等长度的铝线和铜线相比,铝的导电能力约为铜的二倍,且价格较铜低,应用成本低,所以常被电力工业和电子工业选用。目前,具有高电阻率的一些特定铝合金也已经研制成功,这些合金可用于如高转榘的电动机中。   

  铝的热导率很高,仅次于铜,铝的导热能力比铁大3倍,大约是铜的50%~60%。铜的导热性虽然最佳,可是制造同样大小的工件重量要比铝大很多,价格也比铝贵很多。因此,制造散热器铝仍是首选。铝的性价比对制造热交换器、蒸发器、加热电器、炊事用具,以及汽车的缸盖与散热器都很有利。   

  铝是非铁磁性的,这对电气工业和电子工业而言是一个极其重要的特性。   

  铝是不能自燃的,这对涉及装卸或接触易燃易爆材料的行业来说十分重要。铝的毒性非常微小,通常用于制造盛食品和饮料的容器。近年来,铝箔在香烟、药品、食品的包装方面应用越来越广泛,已成为包装业的重要材料。   

  铝的自然表面状态具有宜人的外观。它柔软、有光泽,而且为了美观,还可着色或染上纹理图案。在现代生活中,铝已经广泛地应用在建筑行业和日用百货中。铝还具有良好的吸音性能,根据这一特点,-些广播室、现代化大建筑内的天花板等有的采用了铝。   

  铝的可塑性非常好。纯的铝很软,强度不大,有着良好的延展性,可拉成细丝和轧成箔片,具有良好的可机加工性,大量用于电线、电缆制造业和无线电工业以及包装业。在某些金属中加入少量铝,便可大大改善其性能。如在铝中加入少量镁、铜,可制得坚韧的铝合金;又如青铜铝(含铝4%~15%)合金,具有高强度的耐蚀性,硬度与低碳钢接近,且有不易变暗的金属光泽,常用于珠宝饰物和建筑业中,用于机器的零件和工具制造,用于酸洗设备和其它与稀硫酸、盐酸和氢氟酸接触的设备,可制作电焊机电刷和夹柄、重型齿轮和蜗轮、金属成型模、机床导轨、不发生火花的工具、无磁性链条、压力容器、热交换器、压缩机叶片、船舶螺旋浆和锚等。在铝中加入镁,便制得铝镁合金,其硬度比纯的镁和铝都大许多,而且保留了其质轻的特点,常用于制造飞机的机身、火箭的箭体、门窗,美化居室环境,制造船舶;在铝里添加其它金属成份,可以变成各种各样的铝合金,一些铝合金在强度上甚至超过结构钢材。   

  铝的连接也很容易,可用各式各样的方法,包括熔焊、电阻焊、硬焊、软焊、粘结以及诸如铆接和栓接之类的机械方法。   

  与铁相比,铝不易锈蚀,延长了使用寿命。因此,铝具有极高的回收性,再生铝的特性与原生铝几乎没有区别,这点使铝成为环保人士的宠儿。

  三、铝的主要用途   

  由于具有优良的物理性能,铝在国民经济各行业和国防工业中得到了广泛的应用。铝作为轻型结构材料,重量轻、强度大,海、陆、空各种运载工具,特别是飞机、导弹、火箭、人造地球卫星等,均使用大量的铝,一架超音速飞机的用铝量占其自身重量的70%,一枚导弹用铝量占其总重量的10%以上;用铝和铝合金制造的各种车辆,可以减少能耗,其所节省的能量远远超过炼铝时所消耗的能量;在建筑工业中用铝合金做房屋的门窗及结构材料;用铝制作太阳能收集器,可以节能;在电力输送方面,铝的用量居首位,90%的高压电导线是用铝制作的;在食品工业上,从储槽到罐头盒,以至饮料容器大多用铝制成;铝粉可做难熔金属(如钼等)的还原剂和做炼钢中的脱氧剂,日常生活所用的锅、盘、匙等大多由铝制成。   

  铝的化合物如氢氧化铝可用来制备铝盐、吸附剂、媒染剂和离子交换剂,也可作为瓷釉、耐火材料等的原料,在医药上用作酸药,有中和胃酸和治疗溃疡的作用;偏铝酸钠常用于印染织物;无水氯化铝是石油工业和有机合成中常用的催化剂;六水合氯化铝可用于制备除臭剂、安全消毒剂;六氟合铝酸钠(即冰晶石),在农业上常用作杀虫剂;磷化铝遇潮湿或酸放出剧毒的磷化氢气体,可毒死害虫,农业上用作谷仓杀虫的熏蒸剂;硫酸铝常用作造纸的填料;硝酸铝可用来鞣革和制白热电灯丝,也可用作媒染剂;硅酸铝常用于制玻璃、陶瓷、油漆的颜料以及油漆、橡胶和塑料的填料等;硫糖铝又名胃溃宁,学名蔗糖硫酸酯碱式铝盐,它能和胃蛋白酶结合,直接抑制蛋白分解活性,作用较持久,并能形成一种保护膜,对胃粘膜有较强的保护作用和制酸作用,帮助粘膜再生,促进溃疡愈合,毒性低,是一种良好的胃肠道溃疡治疗剂。   

  近些年,人们又开发了一些新的含铝化合物,如用作复合木地板耐磨层的三氧化二铝,还有烷基铝、纳米氧化铝等。随着科学的发展,人们将会葡京娱乐赌场更好地利用铝及化合物造福人类。

  四、铝的生产加工   

  铝在生产过程中有四个环节构成一个完整的产业链:铝矿石开采-氧化铝制取-电解铝冶炼-铝加工生产。  

  一般而言,两吨铝矿石生产一吨氧化铝;两吨氧化铝生产一吨电解铝。   

  (一)氧化铝的生产方法   
迄今为止,已经提出了很多从铝矿石或其它含铝原料中提取氧化铝的方法。由于技术和经济方面的原因,有些方法已被淘汰,有些还处于试验研究阶段。已提出的氧化铝生产方法可归纳为四类,即碱法、酸法、酸碱联合法与热法。目前用于大规模工业生产的只有碱法。   

  铝土矿是世界上最重要的铝矿资源,其次是明矾石、霞石、粘土等。目前世界氧化铝工业,除俄罗斯利用霞石生产部分氧化铝外,几乎世界上所有的氧化铝都是用铝土矿为原料生产的。   

  铝土矿是一种主要由三水铝石、一水软铝石或一水硬铝石组成的矿石。到目前为止,我国可用于氧化铝生产的铝土矿资源全部为一水硬铝石型铝土矿。   

  铝土矿中氧化铝的含量变化很大,低的仅约30%,高的可达70%以上。铝土矿中所含的化学成分除氧化铝外,主要杂质是氧化硅、氧化铁和氧化钛。此外,还含有少量或微量的钙和镁的碳酸盐、钾、钠、钒、铬、锌、磷、镓、钪、硫等元素的化合物及有机物等。其中镓在铝土矿中含量虽少,但在氧化铝生产过程中会逐渐在循环母液中积累,从而可以有效地回收,成为生产镓的主要来源。   

  衡量铝土矿优劣的主要指标之一是铝土矿中氧化铝含量和氧化硅含量的比值,俗称铝硅比。   

  用碱法生产氧化铝时,是用碱(NaOH或Na2CO3)处理铝矿石,使矿石中的氧化铝转变成铝酸钠溶液。矿石中的铁、钛等杂质和绝大部分的硅则成为不溶解的化合物。将不溶解的残渣(赤泥)与溶液分离,经洗涤后弃去或进行综合处理,以回收其中的有用组分。纯净的铝酸钠溶液即可分解析出氢氧化铝,经分离、洗涤后进行煅烧,便获得氧化铝产品。分解母液则循环使用来处理另一批矿石。碱法生产氧化铝有拜耳法、烧结法以及拜耳--烧结联合法等多种流程。   

  拜耳法是由奥地利化学家拜耳(K•J•Bayer)于1889~1892年发明的一种从铝土矿中提取氧化铝的方法。一百多年来在工艺技术方面已经有了许多改进,但基本原理并未发生变化。为纪念拜耳这一伟大贡献,该方法一直沿用拜耳法这一名称。

  拜耳法包括两个主要过程。首先是在一定条件下氧化铝自铝土矿中的溶出(氧化铝工业习惯使用的术语,即浸出。以下同)过程,然后是氢氧化铝自过饱和的铝酸钠溶中水解析出的过程,这就是拜耳提出的两项专利。拜耳法的实质就是以湿法冶金的方法,从铝土矿中提取氧化铝。在拜耳法氧化铝生产过程中,含硅矿物会引起Al2O3和Na2O的损失。   

  在拜耳法流程中,铝土矿经破碎后,和石灰、循环母液一起进入湿磨,制成合格矿浆。矿浆经预脱硅之后预热至溶出温度进行溶出。溶出后的矿浆再经过自蒸发降温后进入稀释及赤泥(溶出后的固相残渣)的沉降分离工序。自蒸发过程产生的二次汽用于矿浆的前期预热。沉降分离后,赤泥经洗涤进入赤泥堆场,而分离出的粗液(含有固体浮游物的铝酸钠溶液,以下同)送往叶滤。粗液通过叶滤除去绝大部分浮游物后称为精液。精液进入分解工序经晶种分解得到氢氧化铝。分解出的氢氧化铝经分级和分离洗涤后,一部分作为晶种返回晶种分解工序,另一部分经焙烧得到氧化铝产品。晶种分解后分离出的分解母液经蒸发返回溶出工序,形成闭路循环。氢氧化铝经焙烧后得到氧化铝。   

  不同类型的铝土矿所需要的溶出条件差别很大。三水铝石型铝土矿在105℃的条件下就可以较好地溶出,一水软铝石型铝土矿在200℃的溶出温度下就可以有较快的溶出速度,而一水硬铝石型铝土矿必须在高于240℃的温度下进行溶出,其典型的工业溶出温度为260℃。溶出时间不低于60分钟。   

  拜耳法用于处理高铝硅比的铝土矿,流程简单,产品质量高,其经济效果远比其它方法为好。用于处理易溶出的三水铝石型铝土矿时,优点更是突出。目前,全世界生产的氧化铝和氢氧化铝,90%以上是用拜耳法生产的。由于中国铝土矿资源的特殊性,目前中国大约50%的氧化铝是由拜耳法生产的。   

  将拜耳法和烧结法二者联合起来的流程称之为联合法生产工艺流程。联合法又可分为并联联合法、串联联合法与混联联合法。采用什么方法生产氧化铝,主要是由铝土矿的品位(即矿石的铝硅比)来决定的。从一般技术和经济的观点看,矿石铝硅比为3左右通常选用烧结法;铝硅比高于10的矿石可以采用拜耳法;当铝土矿的品位处于二者之间时,可采用联合法处理,以充分发挥拜耳法和烧结法各自的优点,达到较好的技术经济指标。

  (二)原铝、铝合金及铝材的生产方法   

  目前工业生产原铝的唯一方法是霍尔-埃鲁铝电解法。由美国的霍尔和法国的埃鲁于1886年发明。霍尔-埃鲁铝电解法是以氧化铝为原料、冰晶石(Na3AlF6)为熔剂组成的电解质,在950-970℃的条件下通过电解的方法使电解质熔体中的氧化铝分解为铝和氧,铝在碳阴极以液相形式析出,氧在碳阳极上以二氧化碳气体的形式逸出。每生产一吨原铝,可产生1.5吨的二氧化碳,综合耗电在15000kwh左右。  

  工业铝电解槽大体上可以分为侧插阳极自焙槽、上插阳极自焙槽和预焙阳极槽三类。由于自焙槽技术在电解过程中电耗高、并且不利于对环境的保护,所以自焙槽技术正在被逐渐淘汰。 

  必要时可以对电解得到的原铝进行精炼得到高纯铝。目前的铝合金生产方法主要以熔配法为主。由于铝及其合金具有优良的可加工性能,所以通过锻、铸、轧、冲、压等方法生产板、带、箔、管、线等型材。

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