鋁的基礎(chǔ)知識(shí)


一、什么是鋁

　　鋁是一種銀白色金屬，在地殼中含量?jī)H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(shè)施輕量化的首選金屬材料。
　　鋁是世界上產(chǎn)量和用量都僅次于鋼鐵的有色金屬。它既是常用的生產(chǎn)生活物資，又是重要的戰(zhàn)略物資。它具有輕便性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、可塑性（易拉伸、易延展）、耐腐蝕性（不生銹）等優(yōu)良特性，所以成為機(jī)電、電力、航空、航天、造船、汽車制造、包裝、建筑、交通運(yùn)輸、日用百貨、房地產(chǎn)等行業(yè)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(jī)器設(shè)備，出行乘坐的交通工具，無不與鋁有關(guān)。從日常生活用品到潛艇、戰(zhàn)機(jī)乃至火箭、飛船，鋁如影隨行、無處不在。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)日新月異不斷向前發(fā)展以及新工業(yè)領(lǐng)域的不斷涌現(xiàn)，鋁的用途也越來越廣泛，需求量與日俱增，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著越來越重要的作用。在我國(guó)現(xiàn)有124個(gè)產(chǎn)業(yè)中，有113個(gè)部門使用鋁產(chǎn)品，占91%。其中在101個(gè)物資生產(chǎn)部門中，有96個(gè)部門消耗鋁冶煉產(chǎn)品或壓延產(chǎn)品，占95%。現(xiàn)在，鋁及鋁合金已能取代木材、鋼鐵、塑料等各種材料，其應(yīng)用范圍之廣足以使現(xiàn)代生活的各個(gè)側(cè)面直接地受到影響。因此，目前世界各國(guó)都在根據(jù)各自的條件，積極發(fā)展本國(guó)的鋁工業(yè)。

二、鋁的特性

　　鋁及其合金的優(yōu)良特點(diǎn)是外觀好、質(zhì)輕、可機(jī)加工、物理和力學(xué)性能好、抗腐蝕，在很多應(yīng)用領(lǐng)域中被認(rèn)為最經(jīng)濟(jì)實(shí)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(zhì)輕，因此常用于制造汽車、火車、地鐵、船舶、飛機(jī)、火箭、飛船等陸海空交通工具，以減輕自重增加裝載量。鋁在軍工中也有廣泛應(yīng)用。
　　在大多數(shù)環(huán)境條件下，包括在空氣、水(或鹽水)、石油化學(xué)和很多化學(xué)體系中，鋁能顯示優(yōu)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(jīng)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(zhǎng)范圍內(nèi)反射優(yōu)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(yōu)良的電導(dǎo)率，它的導(dǎo)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(zhì)量和等長(zhǎng)度的鋁線和銅線相比，鋁的導(dǎo)電能力約為銅的二倍，且價(jià)格較銅低，應(yīng)用成本低，所以常被電力工業(yè)和電子工業(yè)選用。目前，具有高電阻率的一些特定鋁合金也已經(jīng)研制成功，這些合金可用于如高轉(zhuǎn)榘的電動(dòng)機(jī)中。
　　鋁的熱導(dǎo)率很高，僅次于銅，鋁的導(dǎo)熱能力比鐵大3倍，大約是銅的50%～60%。銅的導(dǎo)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(jià)格也比鋁貴很多。因此，制造散熱器鋁仍是首選。鋁的性價(jià)比對(duì)制造熱交換器、蒸發(fā)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(duì)電氣工業(yè)和電子工業(yè)而言是一個(gè)極其重要的特性。
　　鋁是不能自燃的，這對(duì)涉及裝卸或接觸易燃易爆材料的行業(yè)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(yīng)用越來越廣泛，已成為包裝業(yè)的重要材料。
　　鋁的自然表面狀態(tài)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(xiàn)代生活中，鋁已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在建筑行業(yè)和日用百貨中。鋁還具有良好的吸音性能，根據(jù)這一特點(diǎn)，－些廣播室、現(xiàn)代化大建筑內(nèi)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(qiáng)度不大，有著良好的延展性，可拉成細(xì)絲和軋成箔片，具有良好的可機(jī)加工性，大量用于電線、電纜制造業(yè)和無線電工業(yè)以及包裝業(yè)。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(jiān)韌的鋁合金；又如青銅鋁（含鋁4％～15％）合金，具有高強(qiáng)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(yè)中，用于機(jī)器的零件和工具制造，用于酸洗設(shè)備和其它與稀硫酸、鹽酸和氫氟酸接觸的設(shè)備，可制作電焊機(jī)電刷和夾柄、重型齒輪和蝸輪、金屬成型模、機(jī)床導(dǎo)軌、不發(fā)生火花的工具、無磁性鏈條、壓力容器、熱交換器、壓縮機(jī)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(zhì)輕的特點(diǎn)，常用于制造飛機(jī)的機(jī)身、火箭的箭體、門窗，美化居室環(huán)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(qiáng)度上甚至超過結(jié)構(gòu)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(jié)以及諸如鉚接和栓接之類的機(jī)械方法。
　　與鐵相比，鋁不易銹蝕，延長(zhǎng)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(qū)別，這點(diǎn)使鋁成為環(huán)保人士的寵兒。

三、鋁的主要用途

　　由于具有優(yōu)良的物理性能，鋁在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)和國(guó)防工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。鋁作為輕型結(jié)構(gòu)材料，重量輕、強(qiáng)度大，海、陸、空各種運(yùn)載工具，特別是飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭、人造地球衛(wèi)星等，均使用大量的鋁，一架超音速飛機(jī)的用鋁量占其自身重量的70%，一枚導(dǎo)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(jié)省的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過煉鋁時(shí)所消耗的能量；在建筑工業(yè)中用鋁合金做房屋的門窗及結(jié)構(gòu)材料；用鋁制作太陽能收集器，可以節(jié)能；在電力輸送方面，鋁的用量居首位，90%的高壓電導(dǎo)線是用鋁制作的；在食品工業(yè)上，從儲(chǔ)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(yī)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(yè)和有機(jī)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(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)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(xué)名蔗糖硫酸酯堿式鋁鹽，它能和胃蛋白酶結(jié)合，直接抑制蛋白分解活性，作用較持久，并能形成一種保護(hù)膜，對(duì)胃粘膜有較強(qiáng)的保護(hù)作用和制酸作用，幫助粘膜再生，促進(jìn)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(fā)了一些新的含鋁化合物，如用作復(fù)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(xué)的發(fā)展，人們將會(huì)更多更好地利用鋁及化合物造福人類。

四、鋁的生產(chǎn)加工

　　鋁在生產(chǎn)過程中有四個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成一個(gè)完整的產(chǎn)業(yè)鏈：鋁礦石開采－氧化鋁制取－電解鋁冶煉－鋁加工生產(chǎn)。
　　一般而言，兩噸鋁礦石生產(chǎn)一噸氧化鋁；兩噸氧化鋁生產(chǎn)一噸電解鋁。
　　（一）氧化鋁的生產(chǎn)方法
　　迄今為止，已經(jīng)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(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的原因，有些方法已被淘汰，有些還處于試驗(yàn)研究階段。已提出的氧化鋁生產(chǎn)方法可歸納為四類，即堿法、酸法、酸堿聯(lián)合法與熱法。目前用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)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(yè)，除俄羅斯利用霞石生產(chǎn)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(chǎn)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(guó)可用于氧化鋁生產(chǎn)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(dá)70％以上。鋁土礦中所含的化學(xué)成分除氧化鋁外，主要雜質(zhì)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(jī)物等。其中鎵在鋁土礦中含量雖少，但在氧化鋁生產(chǎn)過程中會(huì)逐漸在循環(huán)母液中積累，從而可以有效地回收，成為生產(chǎn)鎵的主要來源。
　　衡量鋁土礦優(yōu)劣的主要指標(biāo)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(chǎn)氧化鋁時(shí)，是用堿（NaOH或Na2CO3）處理鋁礦石，使礦石中的氧化鋁轉(zhuǎn)變成鋁酸鈉溶液。礦石中的鐵、鈦等雜質(zhì)和絕大部分的硅則成為不溶解的化合物。將不溶解的殘?jiān)�（赤泥）與溶液分離，經(jīng)洗滌后棄去或進(jìn)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(jīng)分離、洗滌后進(jìn)行煅燒，便獲得氧化鋁產(chǎn)品。分解母液則循環(huán)使用來處理另一批礦石。堿法生產(chǎn)氧化鋁有拜耳法、燒結(jié)法以及拜耳--燒結(jié)聯(lián)合法等多種流程。
　　拜耳法是由奧地利化學(xué)家拜耳（K·J·Bayer）于1889～1892年發(fā)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(shù)方面已經(jīng)有了許多改進(jìn)，但基本原理并未發(fā)生變化。為紀(jì)念拜耳這一偉大貢獻(xiàn)，該方法一直沿用拜耳法這一名稱。
　　拜耳法包括兩個(gè)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(yè)習(xí)慣使用的術(shù)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(xiàng)專利。拜耳法的實(shí)質(zhì)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(chǎn)過程中，含硅礦物會(huì)引起Al2O3和Na2O的損失。
　　在拜耳法流程中，鋁土礦經(jīng)破碎后，和石灰、循環(huán)母液一起進(jìn)入濕磨，制成合格礦漿。礦漿經(jīng)預(yù)脫硅之后預(yù)熱至溶出溫度進(jìn)行溶出。溶出后的礦漿再經(jīng)過自蒸發(fā)降溫后進(jìn)入稀釋及赤泥（溶出后的固相殘?jiān)�）的沉降分離工序。自蒸發(fā)過程產(chǎn)生的二次汽用于礦漿的前期預(yù)熱。沉降分離后，赤泥經(jīng)洗滌進(jìn)入赤泥堆場(chǎng)，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(jìn)入分解工序經(jīng)晶種分解得到氫氧化鋁。分解出的氫氧化鋁經(jīng)分級(jí)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(jīng)焙燒得到氧化鋁產(chǎn)品。晶種分解后分離出的分解母液經(jīng)蒸發(fā)返回溶出工序，形成閉路循環(huán)。氫氧化鋁經(jīng)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(jìn)行溶出，其典型的工業(yè)溶出溫度為260℃。溶出時(shí)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(jiǎn)單，產(chǎn)品質(zhì)量高，其經(jīng)濟(jì)效果遠(yuǎn)比其它方法為好。用于處理易溶出的三水鋁石型鋁土礦時(shí)，優(yōu)點(diǎn)更是突出。目前，全世界生產(chǎn)的氧化鋁和氫氧化鋁，90%以上是用拜耳法生產(chǎn)的。由于中國(guó)鋁土礦資源的特殊性，目前中國(guó)大約50%的氧化鋁是由拜耳法生產(chǎn)的。
　　將拜耳法和燒結(jié)法二者聯(lián)合起來的流程稱之為聯(lián)合法生產(chǎn)工藝流程。聯(lián)合法又可分為并聯(lián)聯(lián)合法、串聯(lián)聯(lián)合法與混聯(lián)聯(lián)合法。采用什么方法生產(chǎn)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(shù)和經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)看，礦石鋁硅比為3左右通常選用燒結(jié)法；鋁硅比高于10的礦石可以采用拜耳法；當(dāng)鋁土礦的品位處于二者之間時(shí)，可采用聯(lián)合法處理，以充分發(fā)揮拜耳法和燒結(jié)法各自的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。
　　目前全球氧化鋁年產(chǎn)量在5500萬噸左右，我國(guó)的氧化鋁產(chǎn)量約為680萬噸。
　　（二）原鋁、鋁合金及鋁材的生產(chǎn)方法
　　目前工業(yè)生產(chǎn)原鋁的唯一方法是霍爾－埃魯鋁電解法。由美國(guó)的霍爾和法國(guó)的埃魯于1886年發(fā)明。霍爾－埃魯鋁電解法是以氧化鋁為原料、冰晶石（Na3AlF6）為熔劑組成的電解質(zhì)，在950－970℃的條件下通過電解的方法使電解質(zhì)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?xì)怏w的形式逸出。每生產(chǎn)一噸原鋁，可產(chǎn)生1.5噸的二氧化碳，綜合耗電在15000kwh左右。
　　工業(yè)鋁電解槽大體上可以分為側(cè)插陽極自焙槽、上插陽極自焙槽和預(yù)焙陽極槽三類。由于自焙槽技術(shù)在電解過程中電耗高、并且不利于對(duì)環(huán)境的保護(hù)，所以自焙槽技術(shù)正在被逐漸淘汰。目前全球原鋁年產(chǎn)量約為2800萬噸，我國(guó)的原鋁年產(chǎn)量約為700萬噸。
　　必要時(shí)可以對(duì)電解得到的原鋁進(jìn)行精煉得到高純鋁。目前的鋁合金生產(chǎn)方法主要以熔配法為主。由于鋁及其合金具有優(yōu)良的可加工性能，所以通過鍛、鑄、軋、沖、壓等方法生產(chǎn)板、帶、箔、管、線等型材。