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一、氧化鋁簡介
氧化鋁，化學(xué)符號：Al2O3，分子量102，純凈氧化鋁是白色無定形粉末，在礦業(yè)、制陶業(yè)和材料科學(xué)上又被稱為礬土，密度3.9-4.0g/cm3，熔點2050℃、沸點2980℃，不溶于水，為兩性氧化物，能溶于無機酸和堿性溶液中。氧化鋁有9種結(jié)晶態(tài)，主要有α型和γ型兩種變體，工業(yè)上可從鋁土礦中提取。它是鋁電解生產(chǎn)中的主要原料。氧化鋁為結(jié)構(gòu)陶瓷中得典型材料，通常應(yīng)用于需要承受機械應(yīng)力的結(jié)構(gòu)用零件，尤其利用其本身高熔點，高硬度、耐腐蝕、電絕緣性好等特性，可在苛刻條件下使用。存在于自然界中的氧化鋁稱剛玉（α- Al
2O
3），是火山爆發(fā)的產(chǎn)物。它在巖石中呈無色結(jié)晶，也可與其它氧化鋁雜質(zhì)（氧化鉻和氧化鐵等）染成帶色的結(jié)晶，紅色稱紅寶石，其他的剛玉寶石叫藍寶石。
工業(yè)氧化鋁是各種氧化鋁水合物經(jīng)熱分解的脫水產(chǎn)物。它們形成一系列的同質(zhì)異晶體，有些呈分散相，有些呈過渡態(tài)。
常用的氧化鋁的結(jié)構(gòu)類型如下：
?
α- 氧化鋁。亦稱剛玉結(jié)構(gòu)，是氧化鋁結(jié)晶形態(tài)中最穩(wěn)定者。它是M2O3型氧化物的代表性結(jié)構(gòu)，剛玉型結(jié)構(gòu)具有立方最密堆積的氧原子層，氧原子間的八面體配位的2/3
空隙是由金屬原子所填充。也就是說，α- 氧化鋁為鋁離子與氧離子形成離子結(jié)合鍵，鋁原子受六個氧原子包圍而成八面體的六配位型。因鋁離子的離子半徑為M2O3最小者，其與氧離子緊密結(jié)合而成為硬度最高的三價金屬氧化物。
α型氧化鋁不溶于水和酸，是制金屬鋁的基本原料；也用于制各種耐火磚、耐火坩堝、耐火管、耐高溫實驗儀器；還可作研磨劑、阻燃劑、填充料等；高純的α型氧化鋁還是生產(chǎn)人造剛玉、人造紅寶石和藍寶石的原料；還用于生產(chǎn)現(xiàn)代大規(guī)模集成電路的板基。
?γ
-氧化鋁，γ- Al2O3是水鋁礦及氫氧化鋁等氧化鋁水化物在脫水過程中生成的過度氧化鋁。經(jīng)1350℃加熱即轉(zhuǎn)化為α- Al2O3致密組織，燒成收縮極大。從結(jié)構(gòu)上判斷有空洞，對其他物質(zhì)有良好的吸附力，表面積大，對水和其它物質(zhì)具有很高的吸附特性，因此可作吸附劑和干燥劑等。化學(xué)性質(zhì)較為活潑，易和酸或堿溶液作用。
?β
- 氧化鋁。嚴格的說，β- Al2O3不屬于氧化鋁。化學(xué)組成可以近似地用MeO 6 Al2O3和Me2O Al2O3表示。（其中，MeO指CaO、BaO、SrO等堿土金屬氧化物，Me2O指Na2O、K2O、Li2O等堿金屬氧化物。）β- Al2O3只是一類 含量很高的多鋁酸鹽化合物，具有明顯離子導(dǎo)電性和松弛極化現(xiàn)象，介質(zhì)損耗大，電絕緣性能差。在氧化鋁生產(chǎn)中通常所生產(chǎn)的電解煉鋁用的氧化鋁是α- Al2O3和γ- Al2O3的混合物。
鋁電解生產(chǎn)用氧化鋁主要由α- Al2O3和γ- Al2O3組成。氧化鋁的質(zhì)量直接影響所得的金屬鋁的純度和鋁電解生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟指標。因此，作為鋁電解生產(chǎn)原料的氧化鋁對其化學(xué)純度和物理性質(zhì)都有一定要求。
1.氧化鋁的化學(xué)純度。氧化鋁中除主要含有Al2O3外，往往含有少量的SiO2、Fe2O3、Na2O和H2O等雜質(zhì)。電解鋁用氧化鋁必須具有較高的化學(xué)純度，這是因為其中所含比鋁更正電性元素的氧化物雜質(zhì)（如Fe2O3、SiO2等），在電解過程中這些元素將首先在陰極析出，進入金屬鋁中，使鋁不純。而氧化鋁中比鋁更負電性的金屬氧化物雜質(zhì)（如Na2O等），則與電解質(zhì)作用，改變了電解質(zhì)的正常組成，不利于電解操作。
氧化鋁中殘存的結(jié)晶水以灼減表示。它也是有害雜質(zhì)。因為水與電解質(zhì)中的AlF3作用而生成HF，造成了氟鹽的損失，并且污染了環(huán)境。此外，當灼減高或吸濕后的氧化鋁與高溫熔融的電解質(zhì)接觸時，則會引起電解質(zhì)爆濺，危及操作人員的安全。
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級別 |
Al203(%) |
SiO2(%) |
Fe2O3(%) |
Na2O(%) |
灼減(%) |
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一級 |
≥98.6 |
≤0.02 |
≤0.03 |
≤0.50 |
≤0.8 |
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二級 |
≥98.5 |
≤0.04 |
≤0.04 |
≤0.55 |
≤0.8 |
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三級 |
≥98.4 |
≤0.06 |
≤0.04 |
≤0.60 |
≤0.8 |
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2.氧化鋁的物理性質(zhì)
鋁電解生產(chǎn)用氧化鋁除對化學(xué)成分有嚴格要求外，而且還要求氧化鋁在冰晶石熔體中溶解速度快，電解槽槽底沉淀少，覆蓋在電解質(zhì)上結(jié)殼保溫性好，在空氣中不吸濕，飛揚損失少，流動性好，便于輸送和便于電解槽自動加料。所有這些特性都取決于氧化鋁的物理性質(zhì)。用于氧化鋁物理性質(zhì)的指標有：安息角、α- Al2O3含量、容積密度、粒度和比表面積等。
?安息角。是指物料在光滑平面上自然堆積的傾角。安息角較大的氧化鋁在電解質(zhì)中較易溶解，在電解過程中能夠很好覆蓋于電解質(zhì)結(jié)殼上，飛揚損失也較小。
?α- Al2O3含量。α- Al2O3含量反映了氧化鋁的焙燒程度，焙燒程度越高，α-Al2O3含量越多，氧化鋁的吸濕性隨著α- Al2O3含量增多而變小。所以，電解用的氧化鋁要求含一定數(shù)量的α-Al2O3。但α- Al2O3在電解質(zhì)中的溶解性能較γ- Al2O3差。
③容積密度。氧化鋁的容積密度是指在自然狀態(tài)下單位體積的物料質(zhì)量。通常容積密度小的氧化鋁有利于在電解質(zhì)中的溶解。
④粒度。氧化鋁的粒度是指粗細程度。氧化鋁的粒度必須適當，過粗在電解質(zhì)中溶解速度慢，甚至沉淀，過細則容易飛揚損失。
⑤比表面積。氧化鋁的比表面積是指單位重量物料的外表面積與內(nèi)孔表面積之和的總面積。是表示物質(zhì)活性高低的一個重要指標。比表面積大的氧化鋁在電解質(zhì)中溶解性能好，活性大，但易吸濕。
根據(jù)氧化鋁的物理性質(zhì)，通常又可將Al2O3分為砂狀、面粉狀和中間狀三種類型。這三種類型的Al2O3在物理性質(zhì)上有較大的差別。
砂狀的Al2O3具有較小的容積密度，較大的比表面積，略小的安息角，含較少量的α- Al2O3，粗粒較多且均勻，強度較高。面粉狀的氧化鋁則有較大的容積密度，小的比表面積，含有較多的α- Al2O3，粒度細粒較多，強度差。而中間狀氧化鋁的物理性質(zhì)介于二者之間。
