下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中含量较丰富的金属元素。自然界中含铝矿物和岩石种类丰富，如铝土矿、页岩、明矾石、霞石正长岩、黏土、煤矸石、粉煤灰等，这些矿物及岩石都可以作为提取铝的原料。目前，唯一具有商业开采价值的原料只有铝土矿。
铝土矿通常是指以一水软铝石、一水硬铝石、三水铝石为主要矿物，以高岭土、赤铁矿、针铁矿、石英、蛋白石、金红石、锐钛矿等为次要矿物所组成的集合体。全球铝土矿矿床类型通常分为两大类：红土型和岩溶型 [1] 。
红土型铝土矿矿床的矿石主要是三水铝石或三水铝石及一水软铝石混合型矿石，其特点为中铝、低硅、高铁、高铝硅比，是优质的铝工业原料，易采易溶。此类型矿床储量占全球铝矿总储量的88%左右，是全球主要的铝土矿矿床，主要分布于南北纬30°之间的热带、亚热带范围，一般在大陆边缘的近海平原、中低高地、台地和岛屿附近位置可见。
岩溶型铝土矿矿床储量占全球铝矿总储量的11%左右。此类铝土矿矿床由于控矿时代和所处地域不同而呈现多样性的矿石类型，如中国岩溶铝土矿矿床以一水硬铝石型为主，矿石特征为高铝、高硅、中低铝硅比、低铁；地中海地区及加勒比海地区岩溶型铝土矿矿床则既有一水软铝石，又有三水铝石以及各种混合型矿石。全球沉积型铝土矿矿床主要分布于北纬30°~60°附近的温带地区 [2] 。
1859年，法国进行了世界上第一次铝土矿采掘。1900年，法国、意大利、美国等进行了小规模铝土矿采掘。中国铝土矿的采掘始于1911年。随着全球铝产量和需求的迅速增长，世界铝土矿采掘规模也迅速扩大。铝土矿采掘一般分为露天采掘和地下采掘。世界上大部分的铝土矿均采用简单、低成本的露天采掘技术，主要是因为几乎所有的红土型铝土矿和部分优质的岩溶型铝土矿埋藏浅，矿层厚，剥采比小，表层剥离厚度仅为数米。对于岩溶型铝土矿而言，部分铝土矿深入地下，表层覆盖层过厚，难以露天采掘，需采用地下采掘技术。
1858年，吕·查得里在法国萨林德厂提出苏打烧结法生产氧化铝工艺，但在烧结过程中，铝土矿中的Al 2 O 3 、SiO 2 与苏打发生反应，生成不溶性铝硅酸钠，造成氧化铝和苏打大量损失。1880年，米·尤列尔提出往苏打、铝土矿炉料中添加石灰，使得烧结过程不生成或少生成铝硅酸钠，大大减少了氧化铝和苏打的损失，发展成为今天的碱石灰烧结法。碱石灰烧结法是处理高硅铝土矿生产氧化铝的主要工业生产方法。
1987年，奥地利工程师卡尔·约瑟夫·拜耳发明了用苛性碱溶液直接浸出铝土矿生产氧化铝的拜耳法，为氧化铝大规模生产和迅速发展开辟了道路。拜耳法在处理低硅铝土矿，特别是处理三水铝石型优质铝土矿方面，其经济效果远非其他生产方法所能比拟，逐渐形成了大规模应用至氧化铝生产。
目前，世界上95%以上的氧化铝都是采用拜耳法生产出来的。130多年来，拜耳法的基本原理没有改变，但生产工艺、生产设备、控制手段等有了极大的改进，从间接性操作到连续性生产，实现了大型化、自动化、高效化，部分工艺流程实现了智能化，大大降低了能源消耗、人力成本等，提高了生产效率 [3] 。
拜耳法生产氧化铝的基本原理：用碱（NaOH）溶出铝土矿，使铝土矿中的氧化铝变为可溶的铝酸钠，硅、铁、钛等成为不溶的化合物（赤泥），在分离后的铝酸钠溶液中加入氢氧化铝晶种分解析出氢氧化铝，分离洗涤煅烧为氧化铝，分解母液循环使用。
拜耳法生产氧化铝基本工艺主要涵盖的工序：原矿浆制备、原矿浆预脱硅、高压溶出、溶出矿浆稀释、赤泥分离洗涤、晶种分解、氢氧化铝分离洗涤、氢氧化铝煅烧、分解母液蒸发及苏打苛化等，其基本工艺流程如图1.1所示。
原铝的制取首先采用的是化学法。1825年，丹麦的厄尔施泰用钾汞还原无水氯化铝，首次得到铝的金属粉末；20年后，德国的韦勒只用钾代替钾汞还原无水氯化铝也得到了铝的灰色粉末；1845年，法国的戴维尔用钠还原NaAlCl 4 络合盐，开始小规模生产；1865年，俄国的别克托夫提议用镁还原冰晶石来生产铝；等等。
化学法制铝尽管采用了钠、镁作为还原剂，但由于当时生产规模有限，还原剂又非常昂贵，因此生产量不大，整个化学法制铝合计20余吨，铝有“泥土中的银子”之称。直到1888年采用电解法炼铝后，铝工业生产才真正获得了新生。
图1.1 拜耳法生产氧化铝基本工艺流程图
1807—1854年，英国的戴维和德国的本生及法国的特维耳多次做试验，因当时的能源问题没有成功。1867年，发电机出现，并在1880年实现了三相交流输电。充足的电力，给实现工业电解法炼铝提供了前提条件。
1886年，美国的霍尔和法国的埃鲁特分别申请的冰晶石-氧化铝熔盐电解法（也称为霍尔—埃鲁特熔盐电解法）专利获得批准，并于1889年首先在美国匹兹堡实现应用。霍尔-埃鲁特熔盐电解法即以熔融冰晶石为溶剂、氧化铝为溶质、碳素体为阳极、铝液为阴极，在直流电作用下，制得金属铝。其基本工艺流程如图1.2所示。
从1886年至今，冰晶石—氧化铝（霍尔—埃鲁特）熔盐电解法工艺原理没有变化，但铝电解槽的结构发生了很大的变化。铝电解生产直流电耗由最初的40 kW·h /kg降到现在的12.5 kW·h /kg，电流效率由最高的75%达到现在92%的平均水平，槽容量由最初的几千安增加到现在的660 kA [4] 。
图1.2 霍尔—埃鲁特熔盐电解法基本流程图
材料加工工艺一般是指将材料制备成具有一定形状、尺寸和性能的制品的过程，主要涵盖材料的成形加工、内部组织结构的控制以及表面处理等方面。铝加工是将铝锭通过熔铸、轧制（或挤压）和表面处理等多种工艺和流程，生产出各种形态的产品，供交通运输、建筑、包装、电气、机械设备等行业使用。
铝合金可分为铸造铝合金和变形铝合金。将特定组成的铝合金液体在重力或外力作用下充填到型腔中，待其凝固冷却后，获得一定形状、尺寸和性能的铸件、压铸件等铸造材的过程，称为铝合金的铸造工艺。铸造生产一般由铸型制备、合金熔炼及浇注、落砂及清理3个相对独立的工艺过程组成。
变形铝合金是指通过挤压、轧制、拉拔、锻压等压力加工工艺制备成的管、棒、线、板、带、箔、自由锻件与模锻件等加工材。铝合金变形加工产品按照加工工艺的不同可分为铝挤压材和铝板带箔两大类。
挤压是指对挤压模具中的金属锭坯施加强大的压力作用，使其发生塑性变形从挤压模具的模口中流出，或充满凸、凹模型腔，而获得所需形状与尺寸制品的塑性成形方法。铝合金挤压工艺主要用于生产挤压型材，特别是铝建筑型材和工业型材。
轧制（压延）是指靠旋转的轧辊与轧件之间形成的摩擦力将轧件拖入辊缝之间，并使之受到压缩产生塑性变形的过程。铝合金轧制（压延）工艺主要用于铝板、带、箔生产，被广泛应用于国民经济的各个领域。
锻造就是借助外力的作用，使金属坯料产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和性能的锻压件，又称为锻压或冲压，可分为自由锻和模锻。为了使金属材料在高塑性下成型，锻造通常是在热态下进行，也称为热锻。
此外，连铸连轧、连续铸轧等工艺也是常用的铝加工工艺。连铸连轧是指将液态铝合金倒入连铸机中铸造出金属坯（称为连铸坯），然后不经冷却，在均热炉中保温一定时间后直接进入热连轧机组中轧制成型的金属轧制工艺过程。连续铸轧是指将铝合金熔体在连续铸造凝固的同时进行轧制变形的过程，将液态铝合金直接浇入辊缝中，轧辊既起着结晶器的作用又同时对金属进行轧压变形，又称为液态轧制或无锭轧制 [5] 。