轻金属冶金学试题.docx

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轻金属冶金学

　　1预焙阳极炭块一般采取（）和（）法制造。

　　参考答案：

挤压成型；振动成型

　　2铝土矿有三种类型，即（）、（）和（）。

　　参考答案：

三水铝石型；一水软铝石型；一水硬铝石型

　　3生产氧化铝的方法可大致分为（）、（）、（）和（）。

　　参考答案：

碱法；酸法；酸碱联合法；电热法

　　4现代铝工业上有（）和（）两大类电解槽。

　　参考答案：

自焙电解槽；预焙电解槽

　　5按照氧化铝的物理特性，可将其分成（）、（）和（）。

　　参考答案：

粉状；中间状；砂状

　　6在拜耳法生产过程中，循环母液的主要成分有（）、（）、（）和（）。

　　参考答案：

NaOH；NaAlO2；Na2CO3；Na2SO4

　　7碱法生产氧化铝的有：

　　（）、（）和（）。

　　参考答案：

拜耳法；烧结法；拜耳法－烧结联合法

　　8按照所用原料不同，炼镁方法可分为两大类，其中熔盐电解法的基本反应式为（），碳热还原法炼镁的基本反应式是（）。

　　参考答案：

MgCl2=Mg+Cl2；MgO+C=Mg+CO

　　9当向冰晶石熔体中添加少量氟化钙，可以使熔体的初晶温度（），密度（），导电率（）。

　　参考答案：

降低；增大；降低

　　10镁电解槽有两种型式：

　　（）和（）。

　　参考答案：

有隔板槽；无隔板槽

　　11酸法制造冰晶石有两道工序，包括（）和（）。

　　参考答案：

制酸；制盐

　　12铝酸钠溶液添加石灰脱硅的基原理是（），不添加石灰脱硅的基本原理是（）。

　　参考答案：

3Ca（OH）2+2NaAl（OH）4+xNa2SiO3+aq=3CaO·Al2O3·xSiO2·yH2O+2（1+x）NaOH）+aq；1.7Na2SiO3+2NaAl（OH）4+aq=Na2O·Al2O3·2SiO2·nH2O+3.4NaOH+aq

　　13铝电解过程中的阴极反应为：

　　（），阳极反应为（），总反应式为：

　　（）。

　　参考答案：

Al3++3e=Al；2O2-+C-4e=CO2；2Al2O3+3C=4Al+3CO2

　　14轻金属的主要特点有：

　　（）、（）、（）。

　　参考答案：

比重小于3.5；化学活性很大；负电性很强

　　15拜耳法指用（）来溶出铝土矿中的氧化铝，再加（）于铝酸钠溶液中分解产出氢氧化铝。

　　参考答案：

苛性碱；氢氧化铝晶种

　　16用于电解铝的电解槽有两大类四种形式，即（）、（）预焙阳极电解槽和（）、（）自焙阳极电解槽。

　　参考答案：

连续式；不连续式；侧插棒式；上插棒式

　　17摩尔比为3的冰晶石电解质称之为（），摩尔比大于3的冰晶石电解质称之为（），摩尔比小于3的冰晶石电解质称之为（）。

　　参考答案：

中性电解质；碱性电解质；酸性电解质

　　18在拜尔法循环的以下工序中，苛性比值αk的变化情况是：

高压溶出（）、稀释（）、种分（）、蒸发（）。

　　参考答案：

降低；不变；升高；不变

　　19阳极效应系数（），应。

　　参考答案：

AE=0.5；48

　　意指在（）小时内在1台电解槽上发生1次阳极效

　　20阳极效应

　　参考答案：

阳极效应是熔盐电解过程中一种独特的现象，铝电解过程中的阳极效应现象是：

阳极周围（指与熔体接触的部位）电弧光耀眼夺目，并伴有劈劈拍拍地声响，阳极周围电解质却不沸腾，没有气泡大量折出。

电解质好象被气体排开，电解槽的工作处于停顿状态。

此时槽电压由原来的4V猛升到30～50V，甚至更高，与电解槽并联的指示灯发亮，表示该槽发生了阳极效应。

　　21铝土矿的铝硅比

　　参考答案：

铝土矿中氧化铝和氧化硅的质量比。

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　　22铝电解质的分子比

　　参考答案：

铝电解质中氟化钠和氟化铝的摩尔比。

　　23阳极效应系数

　　参考答案：

每日分摊到每槽的阳极效应次数。

　　24电流效率

　　参考答案：

电流效率的大小是用实际铝产量和理论铝产量之比来表示的，即：

η=（P实/P理）×100%。

　　25硅量指数

　　参考答案：

铝酸钠溶液中氧化铝和二氧化硅的质量之比。

　　26简述在烧结法生产氧化铝的工艺中，熟料溶出时原硅酸钙的行为和二次反应。

　　参考答案：

在溶出过程中赤泥中的2CaO·SiO2可以与铝酸钠溶液发生一系列的化学反应，使已经溶出来的Al2O3、Na2O，又有一部分重新转人赤泥而损失。

　　这些反应称为二次反应或副反应，由此造成的氧化铝和氧化钠的损失为二次反应损失或副反应损失。

　　27什么是铝电解过程的阳极效应，其机理主要有哪几种学说？

熄灭的方法主要有哪些？

　　参考答案：

阳极效应是熔盐电解过程中一种独特的现象，铝电解过程中的阳极效应现象是：

阳极周围（指与熔体接触的部位）电弧光耀眼夺目，并伴有劈劈拍拍地声响，阳极周围电解质却不沸腾，没有气泡大量析出。

电解质好象被气体排开，电解槽的工作处于停顿状态。

此时槽电压由原来的4V猛升到30～50V，甚至更高，与电解槽并联的指示灯发亮，表示该槽发生了阳极效应。

　　有关阳极效应发生机理的研究甚多，但观点却不尽一致，主要有四种。

即润湿性变差学说、氟离子放电学说、静电引力学说和桥式离子理论。

　　如何熄灭阳极效应：

添加氧化铝、搅动铝液冲刷阳极底掌、刮阳极底掌、下降阳极等

　　28在铝电解过程中，氟化镁作为添加剂对电解质的物理化学性质有何影响？

　　参考答案：

MgF2作为添加剂可使电解质的初晶温度降低，密度增大，导电率降低，黏度增大，对电解质的表面张力影响不大，使电解质与铝液之间的界面张力增大，使电解质对碳素材料的润湿性能变差。

　　29试论述拜耳法制备氧化铝的基本原理和实质。

　　参考答案：

拜耳法用在处理低硅铝土矿，特别是处理三水铝石型铝土矿时，流程简单、产品质量好，因而得到广泛的应用。

拜耳法的基本原理有两条：

（1）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，溶液中的氧化铝便呈氢氧化铝析出。

（2）分解得到的母液，经蒸发浓缩后在高温下可用来溶出新的一批铝土矿。

　　交替使用这两个过程就能够每处理一批矿石，便得到一批氢氧化销，构成所谓的拜耳法循环。

　　拜耳法的实质就是使下一反应在不同的条件下朝不同的方向交替进行：

　　A.l2O3（1或3）H2O+2NaOH+aq<====>2NaAl（OH）4+aq

　　30影响二次反应的因素及抑制措施有哪些？

　　参考答案：

　　2CaO·SiO2的分解是熟料溶出时产生二次损失的根本原因，溶出时，必须最大限度地抑制它的分解。

影响因素主要有：

①溶出温度提高溶出温度使溶出过程中的所有反应都加速进行。

进一步提高溶出温度反而加速2CaO·SiO2的分解，增大二次反应损失。

　　②溶出的苛性比值溶出苛性比值的高低是影响二次反应损失的主要因素。

在氧化铝浓度一定的条件下，提高溶出液苛性比值也就提高了NaOH浓度，增进二次反应。

　　③碳酸钠浓度溶液中的Na2CO3能分解2CaO·SiO2，从这一方面说它的浓度越高，2CaO·SiO2分解越多。

但是当溶液中Na2CO3浓度增高到一定程度后，它又能促使Ca（OH）2转变为CaCO3，从而抑制了水合铝酸钙和水化石榴石的生成，使Al2O2的二次反应损失大幅度降低。

　　④氧化硅浓度如果溶液中SiO2浓度大于2CaO·SiO2分解反应的SiO2平衡浓度，那么就可以抑制2CaO·SiO2的分解，减少二次损失。

　　⑤溶出时间随着2CaO·SiO2与溶液接触时间的延长，它的分解数量增加。

　　⑥溶出液固比⑦熟料质量和粒度熟料粒度也必须适当，过粗会使有用成分溶出不完全，过细则会由于泥渣比表面的增大加剧2CaO·SiO2与溶液的反应，并且造成赤泥与溶出液分离的困难，延长赤泥与溶液接触时间。

　　31影响晶种分解过程的主要因素有哪些？

　　参考答案：

（1）分解原液的浓度和苛性比值：

原液氧化铝浓度越高，分解速度越快，但浓度不宜过高；随着苛性比值降低，溶液过饱和度增加，分解速度加快。

（2）温度：

降低分解温度，溶液过饱和度降低，可以提高分解率和分解槽单位产能。

　　（3）晶种数量和质量：

晶种数量用晶种系数表示，系数越大，分解速度越快；晶种质量指它的活性及强度，质量越好，分解速度越快。

　　（4）分解时间及母液苛性比值：

分解时间延长，分解率提高，母液苛性比值增加。

　　（5）搅拌速度：

在分解过程中应保持一定的搅拌速度。

　　（6）杂质影响。

　　32什么是拜耳法的循环效率、Al2O3的理论溶出率、Al2O3的实际溶出率。

　　参考答案：

循环效率：

一吨Na2O在一次拜耳法循环中所产出的Al2O3的量（吨），用E表示，E的数值越高说明碱的利用率越好。

　　A.l2O3的理论溶出率：

理论上矿石中可以溶出的氧化铝量（扣除不可避免的化学损失）与矿石中氧化铝量之比。

　　A.l2O3的实际溶出率：

在溶出时，实际溶出的氧化铝与矿石中氧化铝之比。

　　33铝电解槽正常生产有何特征？

　　参考答案：

①火焰从火眼强劲有力地喷出，火焰的颜色为淡紫蓝色或稍带黄色②槽电压稳定，或在一个很窄的范围内波动③阳极四周边电解质“沸腾”均匀④炭渣分高良好，电解质清沟透亮⑤槽面上有完整的结壳，且疏松好打。

　　34在电解炼铝中，为什么对氧化铝的化学纯度有一定的要求？

　　参考答案：

氧化铝纯度是影响原铝质量的主要因素。

如氧化铝中含有比铝更正电性的元素的氧化物（Fe2O3、SiO2、TiO2等），在电解过程中，这些元素将首先在阴极上析出，是所得的铝不纯。

氧化铝中含有比铝更负电性的元素的氧化物（Na2O、CaO等），则在电解时会与氟化铝反应而破坏电解质的正常成分，破坏电解过程。

氧化铝中的水分也是有害成分，将增加电解质中氟化物的水解而产生氟化氢损失。

　　35铝电解电流效率降低的原因有哪些？

　　参考答案：

铝的物理或化学溶解损失，并被阳极气体氧化铝的不完全放电所引起的电流空耗损失其它离子放电所引起的电流效率损失电解槽漏电，或局部极间短路。

　　36预焙槽炼铝中，对氧化铝的质量有哪些要求？

　　参考答案：

　　1）氧化铝纯度；

　　2）氧化铝物理性质。

　　37影响铝土矿溶出过程的因素有哪些？

　　参考答案：

　　1）、溶出温度；

　　2）、循环母液碱浓度；

　　3）、配料摩尔比；

　　4）、搅拌强度；

　　5）、添加石灰。

　　38简述碱石灰烧结法生产氧化铝的基本原理和主要流程。

　　参考答案：

碱石灰烧结法生产氧化铝是将铝土矿与一定数量的苏打、石灰（或石灰石）配成炉料，在回转窑内进行高温烧结，炉料中的Al2O3与NaCO3反应生成可溶性的固体铝酸钠（Na2O·Al2O3）。

杂质氧化铁、二氧化硅和二氧化钛分别生成铁酸钠（Na2O·Fe2O3）原硅酸钙（2CaO·SiO2）和钛酸钙（CaO·TiO2）。

用稀碱溶液溶出时，可以将熟料中的Al2O3和Na2O溶出，得到铝酸钠溶液，与进入赤泥中的2CaO·SiO2，CaO·TiO2和Fe2O3·H2O等不溶性残渣分离。

熟料的溶出液（粗液）经过专门的脱硅净化过程得到纯净的铝酸钠精液。

它在通入CO2气后，析出氢氧化铝并得到碳分（NaCO3）母液。

　　主要工序包括烧结、溶出、脱硅、碳酸化分解、分解母液蒸发、氢氧化铝煅烧。

　　39写出铝电解生产流程。

　　参考答案：

　　40写出拜耳法生产氧化铝的原则工艺流程。

　　参考答案：

　　41影响铝酸钠溶液稳定性的因素有哪些？

　　参考答案：

（1）溶液的浓度：

当苛性比一定时，氧化铝浓度低于25g/L或高于264g/L的铝酸钠溶液是稳定

（2）苛性比值：

随苛性比值提高，溶液的过饱和度降低，稳定性提高

　　（3）温度：

溶液的稳定性随温度的升高而降低

　　（4）杂质：

杂质的存在使铝酸钠溶液的黏度增加，因此稳定性也相应提高

　　（5）晶种：

晶种的存在起着氢氧化铝结晶核心的作用，使溶液的稳定性下降。

　　42简述氧化铝的生产方法。

　　参考答案：

碱法：

用工业烧碱或纯碱处理铝土矿，使矿石中的氧化铝转变为铝酸钠溶液，从中分析析出氢氧化铝。

　　水溶液，使铝成为氢氧化铝析出，煅烧所得的氢氧化铝或者各铝盐的水合晶体或碱式铝盐，便可得到无水氧化铝。

　　酸碱联合法是先用酸法从高硅铝矿中制取含有铁、钛等杂质的氢氧化铝，然后再用碱法（拜耳法）处理。

　　热法是为处理高硅高铁铝矿而提出的，其实质是在电炉或高炉内还原熔炼矿石，同时获得硅铁合金（或生铁）与含铝酸钙炉渣，二者借比重差分离后，再用碱法从炉渣中提取氧化铝。

　　43炭素阳极生产工艺主要包括哪些工序？

　　参考答案：

原料的准备和煅烧，煅烧料的破碎、细磨和筛分，配料和混捏，生块的成型，生块的焙烧。

　　44写出Na2O-Al2O3-H2O系状态图中B点、OB线、BC线、I、II、III、IV区域的意义。

　　参考答案：

　　O.B线：

三水铝石在氢氧化钠溶液中的溶解度曲线。

平衡固相是三水铝石

　　B.C线：

水合铝酸钠在氢氧化钠溶液中的溶解度曲线。

平衡固相是水合铝酸钠。

　　C.D线：

一水氢氧化钠在铝酸钠溶液中的溶解度曲线。

C点的溶液同时与水合铝酸钠和一水氢氧化钠保持平衡。

区域I：

是三水铝石和偏铝酸钠均未饱和的溶液区。

　　区域II：

0BF0区域内的溶液是氢氧化铝过饱和溶液。

　　区域III：

BCEB区域是偏铝酸钠过饱和区。

　　区域IV：

位于BETB三角形内，为三水铝石和水合铝酸钠的过饱和区。

　　45某种分液Al2O3浓度为135g/L，αk为1.75。

经过72小时分解后测得Al2O3浓度为70g/L，αk为3.5，求分解率是多少？

　　参考答案：

　　46已知电解槽容量为160KA，每昼夜每台槽产铝1150公斤，平均电压4.0伏。

求：

电流效率。

　　参考答案：

　　47已知电解槽容量为160KA，每昼夜每台槽产铝1150公斤，平均电压4.0伏。

求：

吨铝电耗。

　　参考答案：

　　48已知电解槽容量为160KA，每昼夜每台槽产铝1150公斤，平均电压4.0伏。

求：

电能效率（%）。

　　参考答案：

　　49某精液的Al2O3浓度为70g/L，全碱为145g/L，其中Nc为15g/L。

求该溶液的苛性比值（αk）是多少？

　　参考答案：

　　50某电解槽系列拥有200台320kA电解槽，电解过程中，电解槽的平均电压为3.9V，在生产过程中测得此系列电解槽的电流效率为95.2%，求此系列电解槽其中每台槽子一昼夜的平均产能，电耗率，年产铝量。

　　参考答案：

　　V平=ΔV槽+ΔV母+ΔV效ΔV槽=ΔV质+ΔV阴+ΔV阳+ΔV反V平=1.6+1.5+0.3+0.4+0.32+0.05=4.17VP实=2150kgη=P实/P理=95.33%ω=2.98×V平/η=13.035kwh/kg年产铝量=15.695万吨。

　　51某种精液Al2O3浓度为135g/L，αk为1.75，经过72小时分解后测得Al2O3浓度为70g/L，αk为3.5，求分解率是多少？

　　参考答案：

设定反应前后精液的体积没有变化，现在去1L的进行讨论，由于荷性比值：

αk=1.645×（nNa2O/nAl2O3）开始时：

αk=1.75nAl2O3=135/102mol=1.32mol则nNa2O=1.41mol结束时：

αk=3.5nAl2O3=70/102mol=0.69mol则nNa2O=1.47mol2NaAlO2+H2O==Al2O3+2NaOH则反应体积不变，氧化铝含结晶水，以氧化钠为内标，且氧化钠含量变化不大，体系中分解率η=（Aa-AmNa/Nm）/Aa≈（1-αka/αkm）×100％=50％

　　52简述拜耳法生产氧化铝的基本原理和实质。

　　参考答案：

拜耳法生产氧化铝的基本原理如下：

　　1.用NaOH溶液溶出铝土矿所得到的铝酸钠溶液（αk=1.55-1.7）在添加晶种、不断搅拌的条件下，析出氢氧化铝直至αk=2.9-3.7，即种分过程。

　　2.分解得到含NaOH和NaAlO2的母液αk=2.9-3.7，经蒸发浓缩后在高温下可用来溶出新的铝土矿使αk=1.55-1.7，即溶出过程。

　　拜耳法生产氧化铝的实质就是下一反应在不同的条件下朝不同的方向交替进行。

　　53分析影响拜耳溶出的主要因素。

　　参考答案：

影响拜耳溶出的主要因素有：

（1）溶出温度。

　　温度是影响溶出过程最主要的因素。

随着溶出温度的升高，Al2O3在碱溶液中的溶解度增大，溶出反应速度以及碱溶液与反应产物的扩散速度也增加。

当其他溶出条件相同时，提高溶出温度总是使溶出速度加快，溶出设备产能显著提高。

（2）循环母液碱浓度及苛性比值。

　　当其他条件相同时，母液浓度越高，苛性比值越高，Al2O3的未饱和程度就越大，铝土矿中Al2O3的溶出速度及设备产能越大，而得到分子比低的溶出液。

从整个流程看，蒸发后的蒸发母液，即循环母液的Na2O浓度不宜超过高，通常240g/L，如果要求母液的碱浓度过高，蒸发过程的负担和困难必然增大，所以从整个流程来权衡，母液的浓度只宜保持为适当的数值。

　　（3）矿石磨细的程度。

　　氧化铝矿石粒度越细小时，其比表面积就越大。

这样矿石与溶液接触的面积就越大，即反应的面积增加了，在其他溶出条件相同时，溶出速率就会增加。

另外矿石的磨细加工会使原来被杂质包裹的氧化铝水合物暴露出来，增加了氧化铝的溶出率。

致密难溶的一水硬铝石型矿石则要求细磨。

然而过分的细磨使生产费用增加、降低产能，又无助于进一步提高溶出速度，而且还可能使溶出赤泥变细，造成赤泥分离洗涤的困难。

　　（4）搅拌强度。

　　强烈的搅拌使整个溶液成分趋于均匀，从而强化了传质过程。

加强搅拌还可以在一定程度上弥补温度、碱浓度、配碱数量和矿石粒度方面的不足。

在间接加热机械搅拌的高压溶出器组中，矿浆除了沿流动方向运动外，还在机械搅拌下强烈运动，湍流程度也较强。

　　（5）石灰添加量。

　　石灰添加量一般为3%---8%。

当石灰添加量不足时，部分二氧化钛转变为钛酸钠是氧化铝的溶出率降低。

当石灰添加量过多时由于生成水化石榴石使氧化铝溶出率下降。

　　54分析说明间接加热压煮器组生产氧化铝的矿浆、蒸汽（二次蒸汽与新蒸汽）和水的走向，并说明关键控制参数。

　　参考答案：

间接加热压煮器组生产氧化铝的矿浆首先进入溶出前槽，然后进入高压隔膜泵的进料管内，在该管内通过自动控制溶出原矿浆的进料密度，确定其母液的加入量重新调配成合格的溶出原矿浆，再由高压隔膜泵泵入溶出机组。

首先由五级单套管预热器预热到155~160℃左右，后进行两级中温保温脱硅，脱硅后的料浆经五级带机械搅拌间接加热的预热压煮器预热到200~210℃左右。

整个预热系统的热源都来自相应级别的闪蒸槽的二次蒸汽。

预热后的料浆再进入六台带机械搅拌间接加热反应压煮器内，用60bar的新蒸汽加热保温到溶出温度255℃左右，最后经过三台不带加热管束的反应停留压煮器反应停留45~60分钟。

溶出后料浆经过十一级蒸槽降温降压后（第十一级的蒸汽至加热赤泥洗水），进入稀释槽，加入一次洗液，稀释成合格的稀释矿浆，送往溶出后槽停留，再送往沉降作业区。

　　水走向：

间接加热压煮器组的预热和加热器都设置有冷凝水罐。

十级蒸槽产出的二次蒸汽对应的冷凝水罐相连，由逆止阀和节流器控制冷凝水流向和流量，最终至赤泥洗涤；新蒸汽加热的六台釜相应的冷凝水罐相连，由逆止阀和节流器控制冷凝水流向和流量，最终进入冷凝水储罐，返回热电厂。

前一级冷凝水罐是后一级冷凝水的蒸发器。

　　关键控制参数有：

铝土矿与石灰的比例，铝土矿消耗量（湿2.04t/tAl2O3），母液Na2Ok=220-260g/L，αk=2.9-3.2。

溶出液分子比1.55~1.65，相对溶出率>93%。

溶出热耗高压新蒸汽2.5t/tAl2O3，总蒸汽4.0t/tAl2O3，总碱耗94.0kg/tAl2O3，溶出温度265~275℃，相应的溶出器压力38~40kg/cm2。

　　55正常生产状态的电解槽有些什么外观特征？

　　参考答案：

处于正常生产状态的电解槽外观特征有：

　　1）火焰从火眼强劲有力的喷出，火焰的颜色为淡蓝色或稍带黄线；

　　2）槽电压稳定，或在一个很窄的范围内波动；3）阳极四周边电解质“沸腾”均匀；

　　4）炭渣分离良好，电解质清澈透亮；

　　5）槽面上有完整的结壳，且疏松好打。

　　56轻金属的定义是什么？

　　参考答案：

轻金属的定义：

通常是指比重小于3.5（钡的比重）的金属，包括铝、镁、铍和碱金属及碱土金属，有时也将比重为4.5的钛，和通常称之为半金属的硼和硅（比重分别为2.35及2.33）列为轻金属。

　　57轻金属的特点是什么？

　　参考答案：

轻金属的特点是：

　　1、比重小。

　　2、与氧、卤族元素、硫和碳的化合物都非常稳定。

　　3、电负性很强。

　　58轻金属的冶炼特点是什么？

　　参考答案：

轻金属的冶炼特点是：

　　1、不能用碳直接还原其氧化物成金属

　　2、不能电解其盐类的水溶液制取金属

　　3、在熔盐电解生产轻金属时，电解质熔体中比产品金属更正电性的杂质含量必须低于技术规范要求，以免其先于产品金属在阴极析出。

　　59简述砂状氧化铝的优点。

　　参考答案：

砂状氧化铝的优点：

在电解质中易于溶解，对氟化氢等气体有着较强的吸附能力，能够实现铝电解含氟烟气的干法净化，解决了长期以来令人棘手的环保问题。

　　60常见几种铝矿物：

三水铝石、一水软铝石、一水硬铝石、刚玉，他们的的折光率、比重和硬度是按什么次序递增的？

　　参考答案：

常见几种铝矿物的折光率、比重和硬度是按下列次序递增的：

三水铝石→一水软铝石→一水硬铝石→刚玉。