铝在自然界中以氧化铝(Al2O3)形态存在,分布广、储量大(约占地壳总重的7.65%)。铝与氧的亲和力很强,难以直接还原,故长期以来铝的价格极高。当发现用电解法可以从氧化铝中提炼出铝后,铝的价格大约降低了20倍。

氧化铝主要存在于铝矾土(Al2O3含量47%～65%)、高岭石(Al2O3含量39%左右)和矾土岩石(Al2O3含量40%～60%)中。其中,铝矾土矿是炼铝的主要原料。从这些矿物中提取金属铝一般分为两个步骤：氧化铝的制备和氧化铝的电解。

1.氧化铝的制备

制备氧化铝的方法主要有湿碱法和干碱法两种。

(1)湿碱法(拜尔法)

将矿石磨细,在160～170℃,0.3～0.4MPa的高压釜内和氢氧化钠溶液反应生成铝酸钠溶液,铝酸钠与水反应则生成氢氧化铝：

将氢氧化铝在950～1000℃煅烧,即得Al2O3：

(2)干碱法(碱石灰烧结法)

随着铝土矿铝硅比的降低,拜耳法生产氧化铝的经济效益明显下降。在我国已经开发的炼铝资源中,高硅铝土矿石占有很大数量,因而烧结法对于我国氧化铝工业具有很重要的意义。

烧结法生产氧化铝的实质,是将铝矿粉、石灰石和纯碱按比例混匀加热至1100℃,发生下列化学反应：

将熔融烧结的产物磨细后与稀NaOH溶液反应：

生成的NaAlO2进入溶液,而Fe2O3·Na2O生成Fe(OH)3沉淀,SiO2·CaO本身为不溶物,经过滤得铝酸钠溶液,向过滤液内通入CO2,即得Al(OH)3：

将Al(OH)3经过滤、清洗和煅烧后可得Al2O3。

2.氧化铝的电解

从氧化铝中提取金属铝是通过熔盐电解法来实现的,用氟化铝、冰晶石(Na3AlF6)或其他氟化盐作为电解质,将其放入有碳素阳极和阴极所组成的电解槽中,然后通入直流电,使电解质发生一系列物理化学变化,结果在阴极得到液体铝,在阳极得到氧,它使碳阳极氧化而析出。

铝的熔点为660℃,而Al2O3的熔点达2000℃以上。为了获得金属铝并节省能源,可将Al2O3置于电解液中,在电解液中Al2O3的熔点可降低至900℃左右。电解过程中,Al2O3在900℃左右离解为Al3+和AlO33-离子,在电流作用下Al3+移向阴极,AlO33-离子移向阳极。其电解反应为

电解出的铝呈液态沉积于电解槽底部,可定期放出。电解的一次产品铝含量为99.7%,还含有少量的铁、硫等杂质,工业上通常还需要进一步通过精炼提纯后浇注成锭。

3.铝合金的冶炼(www.daowen.com)

纯铝的导电性好、塑性好,但机械性能差,除直接用作导电材料外,一般不用作结构材料。要求具有较好机械性能的各种铝合金,是根据不同材料的成分和性能要求,在坩埚中将纯铝重熔并通过合金化处理后获得的。根据成分和成形方法的不同可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。

所谓变形铝合金是指这类合金大都是经过热态或冷态的压力加工,即经过轧制、挤压等工序制成板材、管材、棒材以及各种异型材使用。对这类合金要求具有相当高的塑性。

铸造铝合金则是将液体金属铝直接浇注在铸型内制成各种形状复杂的零件。对这类合金则应要求它具有良好的铸造性,即良好的流动性,小的收缩性及高的抗热裂性等。

(1)铝合金的熔炼特点

①熔化时间长。铝的熔点虽低,但溶化潜热大,比热大,黑度小,对热的反射强。与其他常用金属如铁、铜相比较,熔化时消耗热量多。因而熔化速度慢,熔化时间长。

②易氧化。铝对氧有很大的亲和力,它能很快氧化,生成Al2O3;在熔体表面形成的氧化铝薄膜虽然有保护作用,但氧化膜一旦破坏,氧气进入融体,便很难除去。因此,尽可能减少氧化是铝及铝合金熔炼过程中的一个重要问题。

③易吸气。铝及铝合金的吸气能力较强(主要是吸氢的能力),特别是在有水蒸气或还原性气氛的炉气下,铝及铝合金的吸氢绝对量虽然不大,但在熔点时,氢在固相和液相中的溶解度相差很大,使铸锭结晶时形成气孔和疏松的倾向性很大。因此,尽可能减少吸氢是铝及铝合金熔炼的又一个重要问题。

④容易吸收各种杂质。铝及铝合金中的一些合金化元素具有很高的化学活性,它们不仅能直接吸收从铁坩埚和工具中溶解的铁,而且还能从炉衬的许多氧化物和熔剂的许多氯盐中置换出铁、硅、锌等金属杂质。这些金属杂质一旦进入铝熔体,便无法清除,而且熔炼次数越多,杂质含量越高,对合金性能影响越大,因此防止金属杂质的污染是铝及铝合金熔炼时的第三个重要问题。

(2)铝合金的熔制工艺

铝合金是以电解铝、中间合金及低熔点纯金属为原材料,在电阻炉或反射炉中进行重熔和合金化制备的。因为铝液在高温下极易吸气和氧化,所以熔炼的关键是除气和除渣,提高铝液的纯净度。此外,对于铝硅系合金,浇注前还要进行变质处理。

①配料及熔化。配料应根据所要求的合金成分和元素烧损率计算各种材料的加入配比,因此必须准确地掌握原料的化学成分,按工艺要求的顺序加入炉料和升温熔炼。为防止过分吸气,加热温度一般不超过750℃,并尽可能快速熔化和浇注。

②精炼处理。精炼的目的是除气除渣。精炼方法很多,主要应用的有吹气精炼和氯盐精炼这两种方法。

吹气精炼是指通过向铝熔体直接吹入氩气或氮气等,使之与铝熔体中的气体和非金属夹杂物发生吸附作用,并在气泡上浮过程中将其带出液面,从而达到除气、除渣的目的。吹气精炼的温度一般选择为710～730℃,吹气压力一般控制在0.1～0.2大气压,吹气时间一般控制在10～30min,精炼后的静置时间一般为15～30min。

氯盐精炼主要是利用氯盐与铝熔体的置换反应以及氯盐本身的挥发作用和热离解作用。最常用的是氯化锌、四氯化碳和六氯乙烷,与铝作用时生成的三氯化铝气体自铝液底部向上浮起的过程中起着和惰性气体精炼时相似的除气、除渣作用。其工艺要点是精炼温度700～720℃,加入量2～3kg/t,精炼后将熔体静置5～10min。

③变质处理。对于铸造铝硅合金等,因成分接近共晶点,为细化有害的初生硅和共晶硅,需要在浇注前对铝液进行变质处理。常用的变质剂为氟化钠、氯化钠、氯化镁等组成的复合钠盐。变质温度一般为720～730℃,以钟罩搅拌法压入铝液。

(3)铝合金铸锭

通常情况下,铸造铝合金直接浇注成要求的铸件,而变形铝合金要先铸成锭坯,再进行锻造或压力加工。铸锭大多数是用直接水冷半连续铸造或模铸制备的。在直接水冷半连续铸造中,当液态金属注入结晶器时,同冷的结晶器壁接触迅速进行热交换而快速凝固,形成硬壳使金属成形。接着,当铸锭从结晶器中出来到结晶器下面的喷水冷却时,热交换又强烈进行,铸锭迅速凝固。