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內(nèi)容簡(jiǎn)介

　　片斷：第1章鋁冶金的歷史與發(fā)展1.1鋁冶金的歷史鋁在自然界中分布極廣，地殼中鋁的含量約為8％，僅次于氧和硅，居第三位。但在各種金屬元素當(dāng)中，鋁居首位。鋁的化學(xué)性質(zhì)十分活潑，故自然界中極少發(fā)現(xiàn)元素狀態(tài)的鋁〔1～3〕。含鋁的礦物總計(jì)有250多種，其中主要的是鋁土礦、高嶺土、明礬石等。我國(guó)采用鋁礦有悠久的歷史，很早就開始從明礬石提取明礬（古稱礬石）以供醫(yī)藥及工業(yè)上應(yīng)用。漢代《本草經(jīng)》（公元前一世紀(jì)）一書中記載了16種礦物藥物，其中就包括礬石、鉛丹、石灰、樸硝、磁石。明代宋應(yīng)星所著《天工開物》（公元1637年）一書中記載了礬石的制造和用途。Aluminium一詞從明礬衍生而來，古羅馬人稱明礬為Alu－men。1746年P(guān)ott從明礬中制取一種金屬氧化物。Marggraf認(rèn)為粘土和明礬中含有同一種金屬氧化物。1876年Morveau稱此種氧化物為氧化鋁Alumine（英文為Alumina）。1807年英國(guó)Davy試圖用電解法從氧化鋁中分離出金屬，未成功。1808年他稱呼此種擬想中的金屬為Aluminium。以后沿用此名。金屬鋁最初用化學(xué)法制取。1825年丹麥Oersted用鉀汞還原無水氯化鋁，得到一種灰色的金屬粉末，在研磨時(shí)呈現(xiàn)金屬光澤，但當(dāng)時(shí)未能加以鑒定。1827年德國(guó)Wohler用鉀還原無水氯化鋁，得到少量細(xì)微的金屬顆粒。1845年他把氯化鋁氣體通過熔融的金屬鉀表面，得到金屬鋁珠，每顆鋁珠的質(zhì)量為10～15mg，于是鋁的一些物理和化學(xué)性質(zhì)得到初步的測(cè)定。1854年法國(guó)Deville用鈉代替鉀還原NaCl—AlCl3絡(luò)合鹽，制取金屬鋁。鈉和鉀同為一價(jià)堿金屬，但鈉的原子量比鉀小，制取1kg鋁所需的鈉量大約是3.0～3.4kg，而用鉀大約需要5.5kg，故用鈉比較經(jīng)濟(jì)。當(dāng)時(shí)稱鋁為“泥土中的銀子”。1855年Devil1e在巴黎世界博覽會(huì)上展出了12塊小鋁錠，總質(zhì)量約為1kg。1854年在巴黎附近建成了世界上第一座煉鋁廠。1865年俄國(guó)Beкетов提議用鎂還原冰晶石來生產(chǎn)鋁。這一方案后來在德國(guó)Gmelingen鋁鎂工廠里采用。自從1887～1888年間電解法煉鋁工廠開始投入生產(chǎn)之后，化學(xué)法便漸漸棄用了。在此之前的30多年內(nèi)采用化學(xué)法總共生產(chǎn)了約200t鋁。在采用化學(xué)法煉鋁期間，德國(guó)Bunsen和法國(guó)Deville繼英國(guó)Davy之后研究電解法。1854年Bunsen發(fā)表了試驗(yàn)總結(jié)報(bào)告，聲稱通過電解NaCl—AlCl3絡(luò)合鹽，得到金屬鋁。他在電解時(shí)采用炭陽(yáng)極和炭陰極。Deville除了電解NaCl—AlCl3絡(luò)合鹽之外，還電解此絡(luò)合鹽和冰晶石的混合物，都得到了金屬鋁。Devi1le也許是認(rèn)識(shí)到氧化鋁可溶于熔融氟鹽的第一個(gè)人。那時(shí)候，用蓄電池作為電源不能獲得較大的電流，而且價(jià)格很貴，因此電解法不能在工業(yè)上進(jìn)行生產(chǎn)。只有在1867年發(fā)明了發(fā)電機(jī)，并在1880年加以改進(jìn)之后，才使電解法可以用于工業(yè)生產(chǎn)。本書前言前言全世界的鋁產(chǎn)量現(xiàn)在接近2400萬噸，僅次于鋼，居各種有色金屬之首位。我國(guó)正在積極發(fā)展鋁工業(yè)，鋁產(chǎn)量接近200萬噸，是當(dāng)今世界的產(chǎn)鋁大國(guó)，未來的發(fā)展前程似錦。故撰寫一本有關(guān)鋁冶金基礎(chǔ)理論與應(yīng)用的書籍是必要的。本書的編寫工作開始于60年代初期，當(dāng)時(shí)出于教學(xué)和科研的需要。承蒙徐采棟先生推薦，1985年在上?？茖W(xué)技術(shù)出版社出版了《鋁冶金物理化學(xué)》一書。誠(chéng)因國(guó)內(nèi)外的鋁冶煉生產(chǎn)技術(shù)和科學(xué)研究在隨后十多年里迅速發(fā)展，深感此書在內(nèi)容上需要作大的補(bǔ)充和修改。故歷經(jīng)幾度寒暑，廣泛閱讀當(dāng)代文獻(xiàn)，并匯集實(shí)驗(yàn)室研究成果，修訂成此書，取名為《鋁電解原理與應(yīng)用》。此書蒙中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社襄助出版。編寫此書的一些基本想法仍然是：第一，力圖把鋁冶金的原理和應(yīng)用密切聯(lián)系起來，視工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)研究為知識(shí)的主要源泉。第二，由于冰晶石—氧化鋁熔液是高溫熔液，而且具有很大的侵蝕性，故鋁電解的理論研究工作比較難于進(jìn)行，若干基本理論，例如有關(guān)熔液結(jié)構(gòu)和電極反應(yīng)的見解，至今仍然存在著分歧。因此，本書注意收集、整理已有的文獻(xiàn)資料，側(cè)重于研究方法、實(shí)驗(yàn)裝置和研究結(jié)果的闡述，以便為理論研究工作提供參考。本書前部刊出的12頁(yè)彩色圖片，是多年來在透明電解槽上拍攝到的，涉及鋁、鎂、鉀、鈉、鉛、鋅的融鹽電解，觀測(cè)到若干重要的現(xiàn)象，具有一定的科學(xué)價(jià)值，可供研究討論。第三，本書對(duì)于煉鋁新方法給予相當(dāng)?shù)闹匾?。這是因?yàn)楝F(xiàn)在通用的煉鋁方法還有不少缺點(diǎn)，例如電耗率甚高，每噸鋁需15000kW·h。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，改革現(xiàn)有的生產(chǎn)技術(shù)，研究新的煉鋁方法是非常必要的。本書分析討論了幾種煉鋁新方法，可以從中選擇究竟哪條途徑是可行的，或者是有前途的。本人在多年的國(guó)際學(xué)術(shù)交往中，曾先后訪問挪威、新西蘭、丹麥、澳大利亞、美國(guó)、日本、俄羅斯等國(guó)的鋁廠、大學(xué)和研究所，結(jié)識(shí)了多位著名的融鹽化學(xué)專家，獲益良多。其中尤其要感謝挪威奧斯陸大學(xué)的凱·格羅泰姆教授（ProfessorKaiGrjotheim）多年來對(duì)我學(xué)術(shù)思想的啟迪和具體的幫助。本書的編寫修訂還引用了東北大學(xué)輕金屬冶煉教研室的一些教師和研究生在鋁冶金方面的部分研究論文資料。對(duì)于他們的熱情支持和幫助，本人始終銘記于心。還有一點(diǎn)需要說明：由于國(guó)際現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)在熱焓、熵、反應(yīng)熱、粘度以及其他有關(guān)熔液的物理化學(xué)參數(shù)方面仍繼續(xù)沿用工程單位制，為尊重引出文獻(xiàn)并確保計(jì)算分析的準(zhǔn)確性，本書在有些章節(jié)中仍按原單位引用了若干文獻(xiàn)及數(shù)據(jù)?？紤]到我國(guó)已于1993年開始推行國(guó)際單位制（SI），故在采用工程單位制的同時(shí)，本書盡可能地給出了兩種單位制的換算關(guān)系。這一點(diǎn)數(shù)請(qǐng)讀者諒解。本書承蒙中共中央統(tǒng)戰(zhàn)部“華夏英才基金”首批資助出版，感激之情，難以言表。沈陽(yáng)北方凈化技術(shù)有限公司在其創(chuàng)建初期也給予部分資助，實(shí)為難得，謹(jǐn)此致謝。由于本人學(xué)識(shí)水平有限，書中一定有不少缺點(diǎn)和錯(cuò)誤，敬請(qǐng)讀者給予批評(píng)指正。邱竹賢1997年7月12日

作者簡(jiǎn)介

　　邱竹賢江蘇省海門人，1943年畢業(yè)于交通大學(xué)唐山工學(xué)院礦冶系。畢業(yè)后先后在四川電化冶煉廠、臺(tái)灣高雄鋁廠和撫順鋁廠任工務(wù)員、工程師。1955年調(diào)東北大學(xué)任教，為副教授、教授，擔(dān)任鋁冶金的教學(xué)和科學(xué)研究工工作至今。在融鹽電解的理論和應(yīng)用技術(shù)方面做出重要的貢獻(xiàn)。先后培養(yǎng)碩士和博士研究生48名。1987年當(dāng)選為挪威技術(shù)科學(xué)院院士，1989年當(dāng)選為挪威科學(xué)院院士，1995年當(dāng)選為中國(guó)工程院院士。

圖書目錄

     目錄
   前言
   第1章鋁冶金的歷史與發(fā)展
    1.1 鋁冶金的歷史
    1.2 現(xiàn)代鋁工業(yè)
    1.3 鋁電解槽的發(fā)展
    1.4 鋁電解的生產(chǎn)過程
    1.5 鋁電解理論的進(jìn)展
    參考文獻(xiàn)
   第2章鋁的性質(zhì)和用途
    2.1 鋁的物理性質(zhì)
    2.2 鋁的化學(xué)性質(zhì)
    2.3 鋁合金
    參考文獻(xiàn)
   第3章鋁電解質(zhì)體系
    3.1 NaF－AlF3二元系
    3.2 Na3AlF6－Al2O3二元系
    3.3 Na3AlF6－AlF3－Al2O3三元系
    3.4 相律的應(yīng)用
    3.5 工業(yè)電解質(zhì)中添加劑的應(yīng)用
    3.5.1 氟化鈣（CaF2）
    3.5.2 氟化鎂（MgF2）
    3.5.3 氟化鋰（LiF）
    3.5.4 氯化鈉（NaCl）
    3.5.5 添加劑的綜合作用
    3.5.6 各種添加劑對(duì)冰晶石熔液初晶點(diǎn)的影響比較
    3.6 工業(yè)鋁電解質(zhì)的發(fā)展趨勢(shì)
    參考文獻(xiàn)
   第4章冰晶石—氧化鋁熔液的物理化學(xué)性質(zhì)
    4.1 密度
    4.1.1 NaF—AlF 系密度
    4.1.2 Na3AlF6—Al2O）3系密度
    4.1.3 添加劑對(duì)電解質(zhì)密度的影響
    4.2 電導(dǎo)率
    4.2.1 概述
    4.2.2 NaF—AlF 系電導(dǎo)率
    4.2.3 Na3AlF6－Al2O3系電導(dǎo)率
    4.2.4 添加劑對(duì)電解質(zhì)熔液電導(dǎo)率的影響
    4.2.5 炭粒和氧化鋁沉淀對(duì)電解質(zhì)電導(dǎo)率的影響
    4.3 遷移數(shù)
    4.3.1 概述
    4.3.2 NaF熔液中的離子遷移數(shù)
    4.3.3 Na3AlF6—Al2O3熔液中的離子遷移數(shù)
    4.4 蒸氣壓
    4.4.1 NaF一AlF 系蒸氣壓
    4.4.2 Na3AlF6—八l2O3系蒸氣壓
    4.4.3 NaF—AlF；—Al系蒸氣壓
    4.4.4 添加劑對(duì)電解質(zhì)蒸氣壓的影響
    4.5 粘度
    4.6 鋁電解質(zhì)的水解反應(yīng)
    4.7 工業(yè)鋁電解質(zhì)
    參考文獻(xiàn)
   第5章鋁電解質(zhì)的酸堿度
    5.1 鋁電解質(zhì)酸堿度的表示方式及其相互關(guān)系
    5.2 工業(yè)鋁電解質(zhì)酸堿度的演變史
    5.2.1 原始的低摩爾比電解質(zhì)
    5.2.2 弱堿性至中性電解質(zhì)
    5.2.3 弱酸性至酸性電解質(zhì)
    5.2.4 強(qiáng)酸性電解質(zhì)
    5.2.5 今后發(fā)展趨勢(shì)
    5.3 工業(yè)鋁電解質(zhì)中的物相
    5.4 工業(yè)鋁電解質(zhì)酸堿度的測(cè)定方法
    5.4.1 概述
    5.4.2 熱滴定法
    5.4.3 氟離子選擇電極法
    5.4.4 電導(dǎo)法
    5.4.5 X射線分析法（XRF法）
    5.4.6 觀察法
    5.5 鋁電解質(zhì)摩爾比的調(diào)整計(jì)算
    參考文獻(xiàn)
   第6章冰晶石熔液中氧化鋁的溶解
    6.1 氧化鋁的溶解熱力學(xué)
    6.1.1 a－Al2O3的熱焓
    6.1.2 a－Al2O在冰晶石熔液中的溶解熱烙
    6.1.3 添加劑對(duì)a－Al2O3溶解熱焓的影響
    6.1.4 熔液中Al的影響
    6.1.5 γ－Al，O轉(zhuǎn)變?yōu)閍－Al，O 的相變熱
    6.2 氧化鋁的溶解反應(yīng)
    6.3 氧化鋁的溶解動(dòng)力學(xué)
    6.3.1 溫度對(duì)氧化鋁溶解速度的影響
    6.3.2 添加劑對(duì)氧化鋁溶解速度的影響
    6.4 工業(yè)電解槽中氧化鋁的溶解
    6.5 氧化鋁濃度的檢測(cè)方法
    6.6 氧化鋁溶解對(duì)電解質(zhì)溫度的影響
    6.7 氧化鋁在冰晶石熔液中的溶解行為
    6.7.1 氧化鋁的溶解行為
    6.7.2 氧化鋁在冰晶石熔液中的膠體狀態(tài)
    參考文獻(xiàn)
   第7章冰晶石—氧化鋁熔液的離子結(jié)構(gòu)和電解機(jī)理
    7.1 冰晶石晶體的結(jié)構(gòu)
    7.2 冰晶石的熱分解反應(yīng)
    7.3 NaF—AlF3二元系的熱分解率
    7.4 冰晶石的真熔點(diǎn)
    7.5 冰晶石—氧化鋁熔液的離子結(jié)構(gòu)
    7.5.1 熱力學(xué)方法
    7.5.2 拉曼光譜法
    7.5.3 冰晶石—氧化鋁熔液中離子質(zhì)點(diǎn)
    總括表
    7.6 鋁電解機(jī)理
    7.6.1 陰極反應(yīng)
    7.6.2 陽(yáng)極反應(yīng)
    7.6.3 炭陽(yáng)極消耗量
    7.6.4 陽(yáng)極氣體組成
    7.6.5 陽(yáng)極過程的步驟
    7.6.6 鋁電解的總反應(yīng)
    7.7 電泳與電滲
    參考文獻(xiàn)
   第8章鋁電解中的陽(yáng)極過電壓和陽(yáng)極效應(yīng)
    8.1 鋁電解中的陽(yáng)極過電壓
    8.2 鋁電解中的陽(yáng)極效應(yīng)
    8.2.1 概述
    8.2.2 臨界電流密度
    8.2.3 陽(yáng)極效應(yīng)時(shí)的氣體組成
    8.3 陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生機(jī)理學(xué)說
    8.3.1 濕潤(rùn)性學(xué)說
    8.3.2 氟離子放電學(xué)說
    8.3.3 靜電引力學(xué)說
    8.4對(duì)陽(yáng)極效應(yīng)的新觀測(cè)
    8.4.1 在微型電解槽上觀測(cè)陽(yáng)極效應(yīng)
    8.4.2 在透明電解槽上觀測(cè)陽(yáng)極效應(yīng)
    8.4.3 在惰性陽(yáng)極材料上觀測(cè)陽(yáng)極效應(yīng)
    8.4.4 用慢掃描示波技術(shù)觀測(cè)陽(yáng)極效應(yīng)
    8.5 工業(yè)電解槽上發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)的三個(gè)步驟
    8.6 水溶液電解中的陽(yáng)極效應(yīng)
    8.7 對(duì)陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生機(jī)理的新認(rèn)識(shí)
    8.7.1 提高電流密度而發(fā)生的陽(yáng)極效應(yīng)
    8.7.2 減小氧化鋁濃度而發(fā)生的陽(yáng)極效應(yīng)
    8.7.3 “效應(yīng)”綜合評(píng)論
    參考文獻(xiàn)
   第9章炭陰極上析出鈉和生成碳化鋁
    9.1 析出鈉
    9.1.1 化學(xué)反應(yīng)置換鈉
    9.1.2 電化學(xué)反應(yīng)析出鈉
    9.2 生成碳化鋁
    9.2.1 生成碳化鋁的反應(yīng)熱力學(xué)
    9.2.2 電解質(zhì)內(nèi)生成碳化鋁
    9.2.3 鋁液中生成碳化鋁
    9.2.4 炭陰極上生成碳化鋁
    9.3 生成碳鈉化合物
    9.4 生成氰化物
    9.4.1 概述
    9.4.2 怎樣抑制氰化物的生成
    參考文獻(xiàn)
   第10章鋁在冰晶石熔液中的溶解現(xiàn)象和再氧化反應(yīng)
    10.1 鋁的溶解現(xiàn)象
    10.2 鋁的溶解本性
    10.3 金屬霧的特征
    10.4 金屬霧的結(jié)構(gòu)
    10.5 金屬霧顏色的詮釋
    10.6 鋁的電化學(xué)溶解與陰極保護(hù)
    10.7 鋁在冰晶石熔液中的溶解度
    10.8 工業(yè)鋁電解槽中鋁的溶解損失與律速步驟
    參考文獻(xiàn)
    附彩色圖片注解
   第11章鋁電解的電流效率
    11.1 鋁的電化學(xué)當(dāng)量
    11.2 電流效率降低的原因
    11.2.1 高價(jià)—低價(jià)離子循環(huán)轉(zhuǎn)換
    11.2.2 水電解
    11.2.3 電解質(zhì)中雜質(zhì)的影響
    11.2.4 冰晶石—氧化鋁熔液中的電子導(dǎo)電
    11.3 電解參數(shù)對(duì)電流效率的影響
    11.3.1 電流密度
    11.3.2 溫度
    11.3.3 極間距離
    11.3.4 氧化鋁濃度
    11.3.5 添加劑
    11.4 電解質(zhì)的流體力學(xué)對(duì)電流效率的影響
    11.5 電流效率的數(shù)學(xué)關(guān)系式
    11.6 電流效率的測(cè)定方法
    11.6.1 盤存法
    11.6.2 回歸法
    11.6.3 氣體分析法
    11.7 提高電流效率的預(yù)測(cè)
    11.8 鋁在其他融鹽中的電流效率
    11.8.1 概述
    11.8.2 氯化鈉一氯化鋁電解
    參考文獻(xiàn)
   第12章鋁電解中的能量平衡
    12.1 氧化鋁的分解電壓
    12.1.1 在惰性陽(yáng)極上的分解電壓
    12.1.2 在活性陽(yáng)極上的分解電壓
    12.1.3 考慮活度時(shí)的分解電壓
    12.2 鋁電解質(zhì)其他組分的分解電壓
    12.3 理論電耗率
    12.4 鋁電解槽的電壓分配
    12.5 鋁電解槽的能量平衡
    12.6 節(jié)省電能的潛力
    12.6.1 提高電流效率
    12.6.2 降低平均電壓
    12.7 節(jié)省電能的展望
    12.7.1 惰性陰極電解槽
    12.7.2 惰性陽(yáng)極電解槽
    12.7.3 多室氧化鋁電解槽
    12.8 低溫鋁電解
    12.8.1 概述
    12.8.2 低溫電解與節(jié)能的關(guān)系
    12.8.3 低溫電解質(zhì)
    12.8.4 低溫鋁電解的電流效率
    12.8.5 鋁液上浮的低溫電解
    參考文獻(xiàn)
   第13章冰晶石—氧化鋁熔液對(duì)炭電極的濕潤(rùn)和滲透
    13.1 概述
    13.2 冰晶石—氧化鋁熔液的表面張力
    13.3 冰晶石—氧化鋁熔液對(duì)炭電極的濕潤(rùn)現(xiàn)象
    13.4 影響濕潤(rùn)性的因素
    13.4.1 電流密度和鋁的影響
    13.4.2 氧化鋁濃度的影響
    13.4.3 冰晶石摩爾比的影響
    13.4.4 炭素材質(zhì)的影響
    13.4.5 炭陽(yáng)極中添加鋰鹽的影響
    13.4.6 炭陰極上涂覆硼化鈦層的影響
    13.4.7 鋁合金組成對(duì)炭陰極濕潤(rùn)性的影響
    13.5 冰晶石—氧化鋁熔液對(duì)炭陰極的滲透
    13.5.1 雙室電解槽的滲透實(shí)驗(yàn)
    13.5.2 工業(yè)鋁電解槽陰極內(nèi)襯的解剖
    13.5.3 電解質(zhì)向炭陰極滲透的理論
    參考文獻(xiàn)
   第14章鋁的精煉
    14.1 鋁的純度
    14.2 鋁中雜質(zhì)元素的平衡
    14.3 鋁液凈化
    14.4 三層液電解法制取精鋁
    14.4.1 概述
    14.4.2 三層液精煉電解質(zhì)
    14.4.3 三層液電解精煉中的電化學(xué)反應(yīng)
    14.4.4 鋁及鋁—銅合金在電解質(zhì)中的溶解度
    14.4.5 三層液電解中的陰極電流效率
    14.4.6 三層液電解中的陽(yáng)極電流效率
    14.5 偏析法制取精鋁
    14.6 有機(jī)溶液電解法制取高純鋁
    14.7 區(qū)域熔煉法制取高純鋁
    14.8 高純度鋁的鑒定
    參考文獻(xiàn)
   第15章煉鋁新方法
    15.1 概述
    15.2 氧化鋁的電熱還原
    15.2.1 反應(yīng)熱化學(xué)
    15.2.2 Al—O—C系相圖
    15.3 鋁礦的電熱還原
    15.3.1 電熱法熔煉鋁合金的發(fā)展
    15.3.2 電熱法流程
    15.3.3 熔煉Al—Si合金的還原反應(yīng)
    15.3.4 原料組成與合金中鋁含量的關(guān)系
    15.4 從電熱法粗合金中提取共晶鋁硅
    15.5 從電熱法鋁硅合金中提取純鋁
    15.5.1 電解法
    15.5.2 低價(jià)氯化鋁歧解法
    15.6 氯化鋁電解法
    15.6.1 概述
    15.6.2 氯化鋁電解法的物理化學(xué)
    15.6.3 氯化鋁電解的機(jī)理
    15.6.4 氯化鋁電解的電流效率
    15.7 融鹽電解法制取鋁基母合金
    15.7.1 概述
    15.7.2 熱力學(xué)原理
    15.7.3 鋁基母合金中合金元素的濃度范圍
    15.7.4 用融鹽電解法制取鋁基母合金的電流效率
    15.7.5 鋁基母合金中合金元素濃度遞增律
    15.7.6 鋁硅母合金中硅濃度的極限
    15.8 對(duì)煉鋁新方法的展望
    參考文獻(xiàn)
   附錄
    附表1 元素的電化學(xué)當(dāng)量
    附表2 金屬在鹵化物融鹽中的標(biāo)準(zhǔn)電位值