一、氧化铝简介
氧化铝，化学符号：Al2O3，分子量102，纯净氧化铝是白色无定形粉末，在矿业、制陶业和材料科学上又被称为矾土，密度3.9-4.0g/cm3，熔点2050℃、沸点2980℃，不溶于水，为两性氧化物，能溶于无机酸和碱性溶液中。氧化铝有9种结晶态，主要有α型和γ型两种变体，工业上可从铝土矿中提取。它是铝电解生产中的主要原料。氧化铝为结构陶瓷中得典型材料，通常应用于需要承受机械应力的结构用零件，尤其利用其本身高熔点，高硬度、耐腐蚀、电绝缘性好等特性，可在苛刻条件下使用。存在于自然界中的氧化铝称刚玉（α- Al
2O
3），是火山爆发的产物。它在岩石中呈无色结晶，也可与其它氧化铝杂质（氧化铬和氧化铁等）染成带色的结晶，红色称红宝石，其他的刚玉宝石叫蓝宝石。
工业氧化铝是各种氧化铝水合物经热分解的脱水产物。它们形成一系列的同质异晶体，有些呈分散相，有些呈过渡态。
常用的氧化铝的结构类型如下：
?
α- 氧化铝。亦称刚玉结构，是氧化铝结晶形态中最稳定者。它是M2O3型氧化物的代表性结构，刚玉型结构具有立方最密堆积的氧原子层，氧原子间的八面体配位的2/3
空隙是由金属原子所填充。也就是说，α- 氧化铝为铝离子与氧离子形成离子结合键，铝原子受六个氧原子包围而成八面体的六配位型。因铝离子的离子半径为M2O3最小者，其与氧离子紧密结合而成为硬度最高的三价金属氧化物。
α型氧化铝不溶于水和酸，是制金属铝的基本原料；也用于制各种耐火砖、耐火坩埚、耐火管、耐高温实验仪器；还可作研磨剂、阻燃剂、填充料等；高纯的α型氧化铝还是生产人造刚玉、人造红宝石和蓝宝石的原料；还用于生产现代大规模集成电路的板基。
?γ
-氧化铝，γ- Al2O3是水铝矿及氢氧化铝等氧化铝水化物在脱水过程中生成的过度氧化铝。经1350℃加热即转化为α- Al2O3致密组织，烧成收缩极大。从结构上判断有空洞，对其他物质有良好的吸附力，表面积大，对水和其它物质具有很高的吸附特性，因此可作吸附剂和干燥剂等。化学性质较为活泼，易和酸或碱溶液作用。
?β
- 氧化铝。严格的说，β- Al2O3不属于氧化铝。化学组成可以近似地用MeO 6 Al2O3和Me2O Al2O3表示。（其中，MeO指CaO、BaO、SrO等碱土金属氧化物，Me2O指Na2O、K2O、Li2O等碱金属氧化物。）β- Al2O3只是一类 含量很高的多铝酸盐化合物，具有明显离子导电性和松弛极化现象，介质损耗大，电绝缘性能差。在氧化铝生产中通常所生产的电解炼铝用的氧化铝是α- Al2O3和γ- Al2O3的混合物。
铝电解生产用氧化铝主要由α- Al2O3和γ- Al2O3组成。氧化铝的质量直接影响所得的金属铝的纯度和铝电解生产的技术经济指标。因此，作为铝电解生产原料的氧化铝对其化学纯度和物理性质都有一定要求。
1.氧化铝的化学纯度。氧化铝中除主要含有Al2O3外，往往含有少量的SiO2、Fe2O3、Na2O和H2O等杂质。电解铝用氧化铝必须具有较高的化学纯度，这是因为其中所含比铝更正电性元素的氧化物杂质（如Fe2O3、SiO2等），在电解过程中这些元素将首先在阴极析出，进入金属铝中，使铝不纯。而氧化铝中比铝更负电性的金属氧化物杂质（如Na2O等），则与电解质作用，改变了电解质的正常组成，不利于电解操作。
氧化铝中残存的结晶水以灼减表示。它也是有害杂质。因为水与电解质中的AlF3作用而生成HF，造成了氟盐的损失，并且污染了环境。此外，当灼减高或吸湿后的氧化铝与高温熔融的电解质接触时，则会引起电解质爆溅，危及操作人员的安全。
|
级别 |
Al203(%) |
SiO2(%) |
Fe2O3(%) |
Na2O(%) |
灼减(%) |
|
一级 |
≥98.6 |
≤0.02 |
≤0.03 |
≤0.50 |
≤0.8 |
|
二级 |
≥98.5 |
≤0.04 |
≤0.04 |
≤0.55 |
≤0.8 |
|
三级 |
≥98.4 |
≤0.06 |
≤0.04 |
≤0.60 |
≤0.8 |
|
|
|
|
|
|
|
2.氧化铝的物理性质
铝电解生产用氧化铝除对化学成分有严格要求外，而且还要求氧化铝在冰晶石熔体中溶解速度快，电解槽槽底沉淀少，覆盖在电解质上结壳保温性好，在空气中不吸湿，飞扬损失少，流动性好，便于输送和便于电解槽自动加料。所有这些特性都取决于氧化铝的物理性质。用于氧化铝物理性质的指标有：安息角、α- Al2O3含量、容积密度、粒度和比表面积等。
?安息角。是指物料在光滑平面上自然堆积的倾角。安息角较大的氧化铝在电解质中较易溶解，在电解过程中能够很好覆盖于电解质结壳上，飞扬损失也较小。
?α- Al2O3含量。α- Al2O3含量反映了氧化铝的焙烧程度，焙烧程度越高，α-Al2O3含量越多，氧化铝的吸湿性随着α- Al2O3含量增多而变小。所以，电解用的氧化铝要求含一定数量的α-Al2O3。但α- Al2O3在电解质中的溶解性能较γ- Al2O3差。
③容积密度。氧化铝的容积密度是指在自然状态下单位体积的物料质量。通常容积密度小的氧化铝有利于在电解质中的溶解。
④粒度。氧化铝的粒度是指粗细程度。氧化铝的粒度必须适当，过粗在电解质中溶解速度慢，甚至沉淀，过细则容易飞扬损失。
⑤比表面积。氧化铝的比表面积是指单位重量物料的外表面积与内孔表面积之和的总面积。是表示物质活性高低的一个重要指标。比表面积大的氧化铝在电解质中溶解性能好，活性大，但易吸湿。
根据氧化铝的物理性质，通常又可将Al2O3分为砂状、面粉状和中间状三种类型。这三种类型的Al2O3在物理性质上有较大的差别。
砂状的Al2O3具有较小的容积密度，较大的比表面积，略小的安息角，含较少量的α- Al2O3，粗粒较多且均匀，强度较高。面粉状的氧化铝则有较大的容积密度，小的比表面积，含有较多的α- Al2O3，粒度细粒较多，强度差。而中间状氧化铝的物理性质介于二者之间。
