真空碳熱還原煉鋁的方法
2023-10-05 17:07:24
專利名稱：真空碳熱還原煉鋁的方法
技術領域：
真空冶金。
背景技術：
鋁的生產已有100多年的歷史，主要的生產方法為冰晶石熔鹽電解法從氧化鋁電解得到金屬鋁，經過100多年的努力，人們已經在氧化鋁的生產及電解鋁的生產過程方面取得了很多的改進，但是至今為止整個鋁的生產過程仍然存在很多的問題，如汙染大、能耗高、投資大、原料氧化鋁的生產成本高等。因此一直以來都有很多科研工作者在從事非電解的煉鋁新方法的研究，其中之一為低價化合物分解法煉鋁。
關於低價滷化物分解法從氧化鋁及含氧化鋁的礦物中直接提鍊金屬鋁，它的原理是將氧化鋁或含氧化鋁的礦物與還原劑混合後，在高溫下與三價鋁化合物發生反應得到低價鋁化合物和一氧化碳，在較低的溫度下低價鋁化合物發生分解得到金屬鋁和三價鋁化合物，而其它的成分則留在反應渣中。由此將金屬鋁從氧化鋁中還原出來，或從礦石中將金屬鋁提煉出來，具體可以用下列的反應方程式來表示
總反應方程式1974年美國的Donald F.Othmer在專利U.S.Pat.No.3793003中公開了一種常壓下從含氧化鋁原料中用低價氯化鋁分解法煉鋁，他所選用的原料首先有伴隨磷鹽巖生產而產生的礦泥，此礦泥中含Al2O318.70％，SiO231.60％，其次是油頁巖，此油頁巖的組成為Al2O330.1％，SiO261.1％，Fe2O35.0％，此外，他還以氧化鋁生產過程中所得到的赤泥為原料，此赤泥的組成為Al2O326％，SiO28.5％，Fe2O350.5％，他所用的氯化劑有氯氣、三氯化鋁、四氯化碳。
1980年美國Adams.Jr.和Clyde M在U.S.Pat.No.4188207中公開了將含氧化鋁原料(包括鋁土礦、粘土、高嶺土等)、氯化鈣及還原劑(建議為碳和含矽化合物)混合，然後加熱到1600℃，得到AlCl氣體，將它通到冷凝區冷凝分解得到金屬鋁和AlCl3及CO氣體，得到的AlCl3與碳酸鈣反應重新得到氯化鈣，就可以循環使用，當然也可以不循環，而是將氣態的AlCl3直接冷凝為固體，作為該法的一種副產品。
1984年，在美國專利4430120中，Fruchter等人在Donald F.Othmer及Adams.Jr.，Clyde M等人的基礎進一步進行研究，他們在1400-1800℃的溫度下用含氧化鋁原料與還原劑碳及NaCl反應得到AlCl氣體，AlCl氣體用Donald F.Othmer的方法進行快速冷凝分解。目前國外已有用低價化合物法從鋁土礦中提取金屬鋁的專利報導，這些低價化合物包括低價硫化物、低價氯化物、低價氟化物等，但是可以看到至今為止即便是國外該法也還未實現工業化應用，因此繼續研究它是很有價值的。
發明內容
1、本發明的目的是提供一種真空碳熱還原煉鋁的方法，在真空爐內，用低價滷化物分解碳熱還原法從含鋁原料中一步直接還原製備金屬鋁，提高煉鋁的生產效率、降低能耗；從生產原料來看，此法的原料不僅僅局限於高品位鋁土礦，它還可採用高嶺土、粘土、粉煤灰、赤泥、長石等作為原料，從而擴大了鋁生產的資源範圍。
2、本發明通過以下的技術方案實現圖1為實現本發明所用的真空爐的組成結構圖，該真空爐本申請人己於2005年10月18日申請了實用新型專利，其包括升華器1、爐殼2、氣體噴頭3、石墨坩堝4、石墨冷凝盤5、冷卻水出口管6、爐蓋熱電偶錐套7、爐蓋8、爐殼熱電偶錐套9、石墨發熱體10、石墨保溫套11、發熱體底座12、水冷電極13、爐體底蓋14、氣體引入管15、插溫度計口16、升華裝置的加熱套17。升華裝置1通過法蘭及連杆連接在爐體底蓋14上，真空爐爐殼2通過法蘭連接在爐體底蓋14上，氣體噴頭3倒扣在石墨坩堝4內部的凸起部分，四個冷凝盤組成的冷凝部分5放置在石墨坩堝4上，冷卻水出口6焊在真空爐爐殼2的上部，爐蓋熱電偶錐套7焊在爐蓋8上其中心線與爐子中心線重合，爐蓋8用法蘭連接在真空爐爐殼2上，爐殼熱電偶錐套9焊在真空爐爐殼2的一側，其中心線高度與最下層冷凝盤中部的孔同高，石墨發熱體10放置在發熱體底座12上，石墨保溫套11通過其底座放置在發熱體底座12上，兩者之間用絕緣材料相隔，發熱體底座12靠兩個螺帽固定在水冷電極的頂部，水冷電極13靠兩個螺帽固定在爐體底蓋14上，氣體引入管15上部靠螺紋與石墨坩堝4相連，下部插入爐體底蓋14上，插溫度計口16焊接在升華裝置1的側面中部，加熱套17套在升華裝置1的外圍。
發明按以下步驟完成1)原料及其配方①含氧化鋁原料為鋁土礦、高嶺土、粘土、粉煤灰、赤泥、長石中的一種或幾種；
②碳質還原劑為煤、焦炭或木炭；③氯化劑為三氯化鋁。
④配料含氧化鋁原料∶碳質還原劑∶三氯化鋁＝1∶0.4-0.6∶1.5-2.0；2)將含氧化鋁原料與碳質還原劑各自磨成100±20目的細粉，混合均勻；3)將上述混合好的料製成直徑0.1-0.5mm的球狀顆粒後，放入燒結爐中，在溫度為300±50℃，燒結30-35分鐘，待該物料冷卻後，取出並置於上述真空爐的坩堝中；4)升溫控制真空爐內壓力為5-400Pa，反應坩堝的溫度達到1270℃～1570℃時，通入計量好的三氯化鋁氣體，該三氯化鋁氣體可以以下列的兩種方式通入其一、事先將三氯化鋁固體放入圖1所示設備的三氯化鋁升華器內，等反應坩堝達到預定的溫度1270℃～1570℃時，加熱升華器，讓三氯化鋁升華成為氣態，從坩堝的底部進入坩堝，與坩堝中的物料發生反應，產生一氯化鋁和一氧化碳氣體；其二，卸掉圖1所示真空爐的升華器部分，直接將真空爐與另外的三氯化鋁氣體產生裝置連接，待真空爐內坩堝的溫度達到1270℃～1570℃時，直接往坩堝底部通入三氯化鋁氣體，在坩堝中發生反應得到一氯化鋁和一氧化碳氣體，反應時間為100-120分鐘；5)一氯化鋁氣體在真空爐頂部抽真空的情況下，沿著置於坩堝上的蒸發冷凝盤，從下往上走，待該氣體的溫度冷到900℃以下時，發生分解反應，得到液態的金屬鋁和三氯化鋁氣體，液態的金屬鋁收集在相應溫度的蒸發冷凝盤上，而氣態的三氯化鋁繼續往上走。在溫度小於50℃的蒸發冷凝盤上冷為固體；6)反應完成後，斷開真空爐的加熱電源，停止加熱，待爐溫冷到室溫時，停止抽真空，待爐內壓力達到常壓時，開爐，從低溫部分的蒸發冷凝盤收集到三氯化鋁，從中溫部分的蒸發冷凝盤收集到金屬鋁，從高溫部分的坩堝得到反應的殘渣。
3、本技術與現有的發明專利相比所具有的優點1)、本發明的反應是在真空條件下進行的，由於在真空下進行，第一步生成一氯化鋁的反應的起點溫度較常壓下低，當溫度達到1270℃時反應就可以發生；2)、所得到的金屬純度高，鋁的質量百分含量可以高達95％以上；三氯化鋁的回收率高，78％以上的三氯化鋁都可以回收3)、工藝簡單，能耗低，汙染小。
四
圖1為實現本發明所用的真空爐的組成結構圖，圖中1為升華器、2為爐殼、3為氣體噴頭、4為石墨坩堝、5為石墨冷凝盤、6為冷卻水出口管、7為爐蓋熱電偶錐套、8為爐蓋、9為爐殼熱電偶錐套、10為石墨發熱體、11為石墨保溫套、12為發熱體底座、13為水冷電極、14為爐體底蓋、15為氣體引入管、16為插溫度計口、17為升華裝置加熱套。
五具體實施例方式實施例一以工業氧化鋁1.5kg為原料，具體成分見表1，以0.6kg煤為還原劑，以2.3kg三氯化鋁為氯化劑，將氧化鋁與煤各自磨成100±20目的細粉，混合均勻，並製成直徑小於0.1-0.5mm的球狀顆粒，將此物料顆粒放於燒結爐中，在溫度為300±50℃下燒結30分鐘，取出此顆粒，並放於真空爐中，控制真空爐內壓力為5-40Pa，當溫度達到1300℃時，計量好的升華器中的三氯化鋁，讓三氯化鋁呈氣態跑出，並進入盛放氧化鋁和煤的反應區，三者反應100分鐘，得到AlCl氣體，在真空爐頂部抽真空的情況下此氣體進入冷凝盤，並得到冷凝，當該氣體的溫度冷到900℃以下，冷凝分解為金屬鋁和氣態三氯化鋁，三氯化鋁進一步沿著冷凝盤往溫度更低的冷凝盤走，並在溫度為50℃及其以下的冷凝盤中冷凝下來，最終得到0.52kg金屬鋁，金屬鋁的成分見表2以及三氯化鋁及反應殘渣。其中所得到的金屬鋁的純度達到98.46％，回收率70％，三氯化鋁的回收率達80％，這部分三氯化鋁可循環使用。
表1工業氧化鋁的成分(wt％)
表2金屬鋁的成分(wt％)
實施例二以鋁土礦2kg為原料，具體成分見表3，以0.9kg木炭為還原劑，以3.kg三氯化鋁為氯化劑，將氧化鋁與木炭各自磨成100±20目的細粉，混合均勻，並製成直徑小於0.1-0.5mm的球狀顆粒，將此物料顆粒放於燒結爐中，在溫度為300±50℃下燒結35分鐘，取出此顆粒，並放於真空爐中，控制真空爐內壓力為50-100Pa，升溫，當溫度達到1500℃時，通入三氯化鋁氣體，入反應區，三者反應120分鐘，得到AlCl氣體，氣體進入冷凝盤，並得到冷凝，當該氣體的溫度冷到900℃以下，冷凝分解為金屬鋁和氣態三氯化鋁，三氯化鋁進一步沿著冷凝盤往溫度更低的冷凝盤走，並在溫度為50℃及其以下的冷凝盤中冷凝下來，得到金屬鋁0.54kg、成分見表4，其純度達到95.82％，回收率68％以及三氯化鋁及反應殘渣，三氯化鋁的回收率達80％，三氯化鋁可循環使用。
表3原料鋁土礦的成分(wt％)
表4所得到的金屬鋁的成分(wt％)
權利要求
1.一種真空碳熱還原煉鋁的方法，其特徵在於方法按以下步驟完成，1)原料及其配方為含氧化鋁原料，碳質還原劑，氯化劑，配料含氧化鋁原料∶碳質還原劑∶三氯化鋁＝1∶0.4-0.6∶1.5-2.0；2)將含氧化鋁原料與碳質還原劑各自磨成100±20目的細粉，混合均勻；3)將上述混合好的料製成直徑0.1-0.5mm的球狀顆粒後，放入燒結爐中，在溫度為300±50℃，燒結30-35分鐘，待該物料冷卻後，取出並置於上述真空爐的坩堝中；4)升溫控制真空爐內壓力為5-400Pa，反應坩堝的溫度達到1270℃～1570℃時，通入計量好的三氯化鋁氣體，在坩堝中發生反應得到一氯化鋁和一氧化碳氣體，反應時間為100-120分鐘；5)一氯化鋁氣體在真空爐頂部抽真空的情況下，沿著置於坩堝上的蒸發冷凝盤，從下往上走，待該氣體的溫度冷到900℃以下時，發生分解反應，得到液態的金屬鋁和三氯化鋁氣體，液態的金屬鋁收集在相應溫度的蒸發冷凝盤上，而氣態的三氯化鋁繼續往上走。在溫度小於50℃的蒸發冷凝盤上冷為固體；6)反應完成後，停止加熱，待爐溫冷到室溫時，停止抽真空，待爐內壓力達到常壓時，開爐，從低溫部分的蒸發冷凝盤收集到三氯化鋁，從中溫部分的蒸發冷凝盤收集到金屬鋁，從高溫部分的坩堝得到反應的殘渣。
2.根據權利要求1所述的真空碳熱還原煉鋁的方法，其特徵在於所述含氧化鋁原料為鋁土礦、高嶺土、粘土、粉煤灰、赤泥、長石中的一種或幾種，碳質還原劑為煤、焦炭、木炭中的一種，氯化劑為三氯化鋁。
3.根據權利要求1或2所述的真空碳熱還原煉鋁的方法，其特徵在於所述三氯化鋁的通入方式是將三氯化鋁固體放入真空爐升華器內，等反應坩堝溫度達到1270℃～1570℃時，加熱升華器，讓三氯化鋁升華成為氣態，從坩堝的底部進入坩堝，與坩堝中的物料發生反應，產生一氯化鋁和一氧化碳氣體。
4.根據權利要求1或2所述的真空碳熱還原煉鋁的方法，其特徵在於所述三氯化鋁的通入方式是直接將真空爐與另外的三氯化鋁氣體產生裝置連接，待真空爐內坩堝的溫度達到1270℃～1570℃時，直接往坩堝底部通入三氯化鋁氣體，在坩堝中發生反應得到一氯化鋁和一氧化碳氣體。
全文摘要
本發明提供一種真空碳熱還原從氧化鋁礦提取金屬鋁的方法。採用氧化鋁或含氧化鋁礦物為原料，輔以還原劑，氯化劑，在內熱式真空爐內，控制壓力在5～400Pa條件下，還原溫度在1270℃～1570℃，反應時間100－120min的條件下得到AlCl，當溫度下降時AlCl分解為金屬鋁和三氯化鋁，AlCl的冷凝分解溫度＜900℃，獲得的金屬鋁純度大於95％，三氯化鋁的回收率達到78％以上。工藝流程短、成本低、對環境汙染小。
文檔編號C22B5/00GK1752234SQ20051001106
公開日2006年3月29日 申請日期2005年10月18日 優先權日2005年10月18日
發明者戴永年, 王平豔, 楊斌, 李秋霞, 吳國元, 楊部正, 劉永成, 馬文會, 劉大春, 吳昆華, 徐寶強, 周曉奎, 李偉宏, 姚耀春, 楊駿 申請人:昆明理工大學