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1教学大纲课程名称轻金属冶金学课程编号适用对象2012级，冶金技术专业甘肃有色冶金职业技术学院《轻金属冶金学》课程教学大纲2课程中文名称：轻金属冶金学课程英文名称：Lightmetalmetallurgy课程编号：××××××适用对象：2012级，冶金技术专业一、课程的地位、教学目标和基本要求1、课程的性质、地位《轻金属冶金学》是冶金技术专业学生有色冶金方向的重要专业课，通过本课程的学习，使学生了解常用轻金属的性质、用途以及轻金属冶炼工艺的发展动态；掌握常用轻金属的冶炼工艺、原理、主体设备的构造和技术经济指标的控制。2、教学目标本课程的教学分为四大部分：包括氧化铝生产、铝冶金、镁冶金和稀有金属冶金三部分。第一部分是以生产氧化铝的原料、生产概况及具体的生产工艺为主线，着重介绍氧化铝生产的具体方法及流程设备的基本概念和基础理论知识，使学生通过本课程的学习，熟悉轻金属学的相关基础知识，为后续部分铝冶金解决材料氧化铝的生产、加工等问题；第二部分是使学生掌握铝冶金的基本原理和工艺，熟悉金属材料铝的基本物理化学性质，具体通过对电解铝过程的学习和理解来掌握铝冶金的生产工艺；第三部分是使学生了解镁冶金的基本物理化学性质以及发展概况，掌握镁的生产原料、方艺及流程；另一部分稀有轻金属冶炼，通过本部分的学习使学生了解同类轻金属铍、锂和碱土金属的物理化学性质及生产制取方式。3、教学要求（1）了解当代轻金属冶金学的发展趋势。了解氧化铝、铝、镁以及其他稀有轻金属的基本物理化学性质方面的知识。（2）理解具体某一金属的生产制取过程中所发生的一系列物理化学变化和基本反应原理。（3）掌握各类轻金属的生产方式和冶金工艺流程，了解实际生产过程中所用3到的专用冶金设备。二、教学内容与要求绪论【教学目的】通过本章学习，了解有色金属行业的背景知识，掌握有色金属的分类及基本性质。了解轻金属的冶金方法和冶金工艺流程。【教学重点与难点】本章重点是对各类轻金属冶金方法的了解，难点是工艺过程的了解和掌握。【教学内容】一、有色金属及其分类1.黑色金属：铁、铬、锰2.有色金属：轻金属、重金属、稀有金属、贵金属二、有色金属的冶金方法1.火法冶金2.湿法冶金3.电冶金三、有色金属冶金工艺过程工艺过程：焙烧、煅烧、烧结和球团、熔炼、精炼、浸出、液固分离、溶液净化、水溶液电解、熔盐电解四、有色金属在国民经济中的地位和作用第一篇氧化铝生产第一章氧化铝生产概况【教学目的】本部分从炼铝行业的背景知识入手，从了解氧化铝的生产概况，熟悉氧化铝及其水合物的基本物理化学性质，讲授铝土矿的化学成分、结构特点和我国铝土矿的分布特征，对比其他炼铝资源，讲授氧化铝生产方法的分类及各种方法的优缺点。4【教学重点与难点】本章重点是氧化铝及其水和物的理化性质及特点，难点是具体工业生产中氧化铝的各类生产方式。【教学内容】第一节氧化铝生产概况一、氧化铝的用途：1.电解炼铝2.非冶金用多品种氧化铝二、生产氧化铝的原料：铝土矿、霞石、明矾石、黏土、黏土页岩等三、氧化铝的具体工业生产方法：1.拜耳法2.碱石灰烧结法3.拜耳烧结联合法四、我国存在的主要问题：能耗高、水平低劳动生产率低第二节氧化铝及其水合物的性质一、氧化铝及其水合物分类：氧化铝、氧化铝水合物二、物理性质：折光率、比重、硬度三、化学性质：两性氧化物、溶解度、溶解速度、化学活性第三节铝土矿及其他炼铝资源一、铝土矿用途:51.生产氧化铝2.制取耐火材料3.刚玉磨料二、铝土矿的主要成分：三水铝石、一水软铝石、一水硬铝石、刚玉三、铝土矿中所含的主要杂质：氧化硅、氧化铁、氧化钛、氧化钙、氧化镁等四、我国铝土矿的特点：高铝、高硅、低铁第四节氧化铝生产方法一、氧化铝物理性质分类：砂状氧化铝、面粉状氧化铝二、生产方法：碱法、酸法、酸碱联合法、热法【教学建议】多媒体、讲授法第二章铝酸钠溶液【教学目的】通过本部分铝酸钠溶液的组成及稳定性的介绍，了解铝酸钠溶液的特性参数；了解铝酸钠溶液的具体物理化学性质；了解铝酸钠溶液的结构特征。掌握铝酸钠溶液的组成及稳定性；【教学重点与难点】本章重点是铝酸钠溶液的组成及稳定性控制，难点是铝酸钠溶液的物理化学性质及稳定性，以及铝酸钠溶液的结构问题。【教学内容】第一节铝酸钠溶液的特性参数一、铝酸钠溶液的主要成分：6NaAl(OH)4、NaOH、Na2CO3、Na2SiO4苛性碱、硫酸碱、碳酸碱、全碱二、苛性比值铝酸钠溶液中氧化钠与氧化铝的摩尔比三、硅量指数铝酸钠溶液中，氧化铝与氧化硅的比值称为硅量指数第二节铝酸钠溶液的性质一、稳定性：1.衡量标准：析出氢氧化铝的时间长短2.意义：重要性3.影响因素：溶液浓度、苛性比、温度、杂质、晶种二、物化性质：密度、黏度、电导率、饱和蒸汽压、热容、溶解热第三节铝酸钠溶液的结构问题一、铝酸钠溶液中：钠离子、铝酸根离子二、铝酸钠溶液由氢氧化钠溶液中的氢氧化铝微粒所组成的胶体溶液。【教学建议】多媒体、讲授法第三章拜耳法生产氧化铝【教学目的】本部分从拜耳法的基本原理和基本流程讲解，通过拜尔法的学习，应掌握拜尔法生产氧化铝的工艺流程及流程中各单元过程的原理、工艺条件的控制、主要设备及影响主要技术经济指标的因教学内容。掌握铝土矿溶出过程的化学反应及工艺，掌握赤泥的分离洗涤、铝酸钠溶液的晶种分解、氧化铝的煅烧工艺流程，掌握母液的蒸发与一水碳酸钠的苛化反应。【教学重点与难点】本章重点是拜尔法生产氧化铝的冶金工艺流程及流程中各7单元过程的原理、工艺条件的控制、主要设备及影响主要技术经济指标的因素。难点是具体的拜耳法比较复杂，以及流程中一些工艺及设备的选择。【教学内容】第一节拜耳法的原理及基本流程一、原理：用NaOH溶液溶出铝土矿，所得到的铝酸钠溶液在添加晶种、不断搅拌的条件下，溶液中的氧化铝呈氢氧化铝析出，即种分过程。分解得到的母液，经蒸发浓缩后在高温下可用来溶出新的铝土矿，即溶出过程。交替使用这两个过程，就能够每处理一批矿石便得到一批氢氧化铝，构成所谓的拜耳法循环。二、拜耳法的循环效率：一吨氧化钠在一次拜耳法循环中产出的氧化铝的量，用E来表示。三、拜耳法基本流程1.原矿将的制备2.高压溶出3.赤泥分离洗涤4.晶种分解5.氢氧化铝分离洗涤6.氢氧化铝煅烧第二节铝土矿溶出过程的化学反应一、氧化铝水合物在溶出过程的行为1.循环母液主要成分：氢氧化钠、偏铝酸钠、碳酸钠、硫酸钠2.溶出次序：三水铝石、一水软铝石、一水硬铝石3.化学反应式Al2O3（1或3）H2O＋2NaOH＋aq→2NaAl(OH)4＋aq8二、含硅矿物在溶出过程中的行为1.含硅矿物：无定形蛋白石、石英等一类氧化硅及水合物2.危害：碱损失、结疤、影响质量3.处理方式：预脱硅预脱硅：100℃左右从原矿浆长时间搅拌，使大部分氧化硅在原矿浆中溶出之前的预热阶段成为水合铝硅酸钠晶体析出。三、含铁矿物在溶出过程的行为1.含铁矿物：氧化物、硫化物、硫酸盐、碳酸盐及硅酸盐2.危害：氧化铁含量越多，赤泥量越大，洗涤用水越多，提高了产品成本。3.处理方式：氧化剂（漂白粉、硝酸钠）四、含钛矿物在溶出过程的行为1.含钛矿物：金红石、锐钛矿、板钛矿2.氧化钛与氢氧化钠反应能力：无定形、锐钛矿、板钛矿、金红石3.危害：氧化铝溶出率降低、氧化钠损失、赤泥沉降性能变坏、结疤4.处理方式：添加石灰五、含钙镁矿物在溶出过程中行为1.含钙镁矿物：方解石、白云石2.危害：生成水合铝酸盐，造成氧化铝的损失六、有机物和微量杂质在溶出过程中的行为1.有机物：腐殖酸、沥青2.危害：不利于湿磨、赤泥沉降分离、晶种分解、母液蒸发3.处理方式：煅烧一定数量一水碳酸钠4.微量元素：磷、硫、氟5.处理方式：溶出过程中加入石灰第三节铝土矿溶出过程工艺一、工艺要求：91.氧化铝理论溶出率2.氧化铝实际溶出率二、铝土矿溶出过程动力学：1.溶剂湿润矿物表面2.生成铝酸钠3.铝酸根离子扩散三、影响溶出过程因素1.温度2.循环母液碱浓度及苛性比值3.矿石磨细的程度4.搅拌强度5.石灰添加量四、溶出工艺设备流程1.连续作业蒸汽直接加热的高压溶出组2.间接加热高压溶出器组五、管道化溶出六、其他热源1.无机盐载热体2.有机载热体3.低熔点合金4.火焰直接加热及电热第四节赤泥的分离与洗涤一、矿浆稀释的目的1.降浓度2.脱硅3.分离104.稳定操作二、赤泥分离洗涤的目的三、赤泥的物化性质1.液相：铝酸钠溶液2.固相：赤泥四、影响拜耳法赤泥沉降性能的主要因素1.矿物组成与化学成分2.矿浆温度3.矿石磨细程度4.铝酸钠溶液的浓度、黏度、液固比五、改善赤泥沉降性能的途径1.预先焙烧2.提高溶出温度3.添加絮凝剂第五节铝酸钠溶液的晶种分解一、铝酸钠溶液分解过程机理1.微观过程：铝酸根离子、聚合离子群、三水铝石2.添加晶种：氢氧化铝3.宏观过程：次生成核、结晶长大、晶粒附聚、晶粒破裂与磨蚀4.铝酸钠溶液的浓度、黏度、液固比二、晶种分解过程的主要技术经济指标1.分解率2.产出率3.分解槽单位产能4.氢氧化铝产量三、影响晶种分解过程的主要因素111.分解原液的浓度和苛性比值2.温度制度3.晶种数量和质量4.分解时间及母液苛性比值5.搅拌强度6.杂质的影响四、晶种分解工艺1.工艺流程及条件2.分解设备3.氢氧化铝的分离与洗涤第六节氢氧化铝的煅烧一、煅烧过程变化1.目的：去除附着水和结晶水2.温度：1000-1250℃3.杂质：氟化物二、设备及改进1.回转窑煅烧系统：烘干带、脱水带、煅烧带、冷却带2.带旋风热交换器的氢氧化铝煅烧窑3.循环流态化煅烧炉4.沸腾闪速煅烧炉第七节分解母液的蒸发与一水碳酸钠的苛化一、分解母液的蒸发1.目的：去除多余水分2.杂质：碳酸钠、硫酸钠、氧化硅二、蒸发设备及流程12三、蒸发结构的预防和处理四、降低蒸发水量的途径1.减少循环碱液的流量2.降低循环母液浓度3.提高稀释后铝酸钠溶液浓度五、一水碳酸钠的苛化回收1.氧化铁法2.石灰法【教学建议】多媒体、讲授法第四章碱石灰烧结法生产氧化铝【教学目的】通过本章的学习，需要了解碱石灰烧结法的基本原理和基本流程；熟悉烧结法的工艺流程及流程中各单元过程的原理、工艺条件的控制、主要设备和主要技术经济指标；掌握烧结法生产氧化铝的工艺流程及流程中各单元过程的原理、工艺条件的控制、主要设备及影响主要技术经济指标的因教学内容：氧化铝生产的原料的区别；烧结法生产氧化铝的特点；【教学重点与难点】本章重点是烧结法生产氧化铝的工艺流程。难点是流程中各单元过程的原理、工艺条件的控制、主要设备及影响主要技术经济指标的因素。【教学内容】第一节碱石灰烧结法的原理及基本流程一、原理：烧结法生产氧化铝的基本原理是将铝土矿与一定量的纯碱、石灰（或石灰石）配成炉料在高温下进行烧结，使氧化硅与石灰化合成不溶于水的原硅酸钙2CaO·SiO2,氧化铝与纯碱化合成可溶于水的固体铝酸钠Na2O·Al2O3、而氧化铁与纯碱化合成可以水解的铁酸钠Na2O·Fe2O3，将烧结产物（熟料）用稀碱溶液溶出时Na2O·Al2O3便进入溶液，Na2O·Fe2O3水解放出碱，氧化铁13以水合物与原硅酸钙一道进入赤泥。再用二氧化碳分解铝酸钠溶液便可以析出氢氧化铝。经过焙烧后产出氧化铝。分离氢氧化铝后的母液成为碳分母液（主要成分为Na2CO3），经蒸发后返回配料。二、我国特点：存在极为丰富的氧化硅含量较高的铝土矿，对碱石灰烧结具有特殊意义。三、烧结法基本流程1.生料浆的制备2.烧结3.溶出4.脱硅5.晶种分解6.碳酸化分解第二节铝酸盐炉料烧结过程的物化反应一、烧结过程目的与要求1.目的：将生料中的氧化铝尽可能完全的转变成可溶性的铝酸钠。2.要求：所得熟料具有相当的强度和可磨性。二、铝酸盐炉料烧结过程的物化反应1.进入湿磨工序的物料：铝土矿、苏打、石灰、硅渣、无烟煤、碳分母液2.反应顺序：氧化铝、氧化硅、氧化铁、氧化钛三、碱石灰铝土矿的配方1.要求：优质高产、低消耗2.经验：烧结是关键、配料是基础四、硫对氧化铝生产造成的危害1.生料中含有硫增加碱耗2.熟料中硫酸钠升高对大窑操作带来困难3.母液中硫酸钠含量升高给蒸发带来困难144.拜耳精液中硫酸钠含量升高，使分解