一、氧化鋁簡(jiǎn)介
氧化鋁，化學(xué)符號(hào)：Al2O3，分子量102，純凈氧化鋁是白色無(wú)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(diǎn)2050℃、沸點(diǎn)2980℃，不溶于水，為兩性氧化物，能溶于無(wú)機(jī)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(jī)械應(yīng)力的結(jié)構(gòu)用零件，尤其利用其本身高熔點(diǎn)，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(wú)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(lán)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(guò)渡態(tài)。
常用的氧化鋁的結(jié)構(gòu)類(lèi)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(shuō)，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(gè)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(jià)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(shí)驗(yàn)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(lán)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(guò)程中生成的過(guò)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(duì)其他物質(zhì)有良好的吸附力，表面積大，對(duì)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(yán)格的說(shuō)，β- Al2O3不屬于氧化鋁?；瘜W(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(lèi) 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(jì)指標(biāo)。因此，作為鋁電解生產(chǎn)原料的氧化鋁對(duì)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?yàn)槠渲兴蠕X更正電性元素的氧化物雜質(zhì)（如Fe2O3、SiO2等），在電解過(guò)程中這些元素將首先在陰極析出，進(jìn)入金屬鋁中，使鋁不純。而氧化鋁中比鋁更負(fù)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?yàn)樗c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(dāng)灼減高或吸濕后的氧化鋁與高溫熔融的電解質(zhì)接觸時(shí)，則會(huì)引起電解質(zhì)爆濺，危及操作人員的安全。
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級(jí)別 |
Al203(%) |
SiO2(%) |
Fe2O3(%) |
Na2O(%) |
灼減(%) |
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一級(jí) |
≥98.6 |
≤0.02 |
≤0.03 |
≤0.50 |
≤0.8 |
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二級(jí) |
≥98.5 |
≤0.04 |
≤0.04 |
≤0.55 |
≤0.8 |
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三級(jí) |
≥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(duì)化學(xué)成分有嚴(yán)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(yáng)損失少，流動(dòng)性好，便于輸送和便于電解槽自動(dòng)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(biāo)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(guò)程中能夠很好覆蓋于電解質(zhì)結(jié)殼上，飛揚(yáng)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(xì)程度。氧化鋁的粒度必須適當(dāng)，過(guò)粗在電解質(zhì)中溶解速度慢，甚至沉淀，過(guò)細(xì)則容易飛揚(yáng)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(gè)重要指標(biāo)。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(lèi)型。這三種類(lèi)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(qiáng)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(xì)粒較多，強(qiáng)度差。而中間狀氧化鋁的物理性質(zhì)介于二者之間。
