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真空碳熱還原氯化法煉鋁原理分析論文
摘要：鋁土礦中的鋁是以氧化鋁的形式存在的，因直接還原得到的金屬鋁與其它雜質(zhì)無法分離而不能用還原劑將其直接還原出來。文章研究了在真空條件下用碳熱還原低價氯化物分解法從鋁土礦直接煉鋁的原理，為相關(guān)工程實踐提供參考。
關(guān)鍵詞：煉鋁真空技術(shù)碳熱還原法
引言
鋁是一種輕金屬，在自然界中有豐富的儲量。其密度是鋼鐵的1/3，具有大的強度/重量比值和良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，鋁的表面被一層氧化膜保護而不生銹，同時鋁的再生利用率高，因此鋁被廣泛應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，建筑工業(yè)和航天航空工業(yè)上，是一種重要的經(jīng)濟、戰(zhàn)略金屬。因此一些缺乏鋁土礦資源的國家都在研究利用這些原料生產(chǎn)氧化鋁的方法，其中研究最多的是酸法、高壓水化學(xué)法和石灰石燒結(jié)法。但綜合處理明礬石的眾多方法中已用于工業(yè)生產(chǎn)的只有還原焙燒法，此外用燒結(jié)法綜合處理霞石已經(jīng)有大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。本文在分析了這幾種常見方法的基礎(chǔ)上研究了真空碳熱還原氯化法煉鋁的原理。
1 常見的煉鋁方法
1.1酸法
非鋁土礦原料的共同特點是含有很高的氧化硅，用酸法處理這些原料原則上是合理的。根據(jù)所用的無機酸種類的不同，酸法生產(chǎn)氧化鋁有各種不同的方案，但它們有著共同的特點，具有類似的生產(chǎn)過程，其中包括礦石的預(yù)處理(焙燒和磨細(xì))，用酸溶出(使氧化鋁轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄缘臒o機酸鋁鹽)，溶出液除鐵，鋁鹽的分解和氫氧化鋁鍛燒以及酸的回收等。不少國家高硅含鋁原料進行了包括鹽酸、硫酸、硝酸以及其它酸法流程的研究。也有人對一些國家用各種酸法處理不同原料時的原材料及能量消耗、單位產(chǎn)品的成本和投資進行了估算，并對未來酸法的工業(yè)應(yīng)用作出了樂觀的估計。但酸法目前還處于試驗階段，有待改進和完善。
1.2高壓水化學(xué)法
此法是上世紀(jì)五十年代原蘇聯(lián)學(xué)者發(fā)明的，它是一種用濕法處理高硅含鋁原料生產(chǎn)氧化鋁的新方法，即以石灰或高濃度堿液處理，再經(jīng)蒸發(fā)、結(jié)晶等得到產(chǎn)品。對這一方法的物理化學(xué)原理和工藝己經(jīng)洲行了長期、廣泛的研究，取得了重大進展。
高壓水化學(xué)法與燒結(jié)法相比有許多優(yōu)點：避開了投資大、能耗高的燒結(jié)過程，在適當(dāng)?shù)臈l件下溶出，可獲得高的Al2O3和Na2O溶出率，不用消耗優(yōu)質(zhì)煤，有利于環(huán)境保護。根據(jù)半工業(yè)試驗結(jié)果進行的技術(shù)經(jīng)濟比較表明：能耗、投資與產(chǎn)品成本都比采用燒結(jié)法顯著降低。但這一方法還存在不少缺點，尚需研究改進。
1.3還原焙燒法
這種方法是目前工業(yè)上綜合處理明礬石的唯一方法。明礬石經(jīng)脫水及還原焙燒脫出SO3后，再用拜爾法處理，產(chǎn)品為氧化鋁、硫酸鉀和硫酸。
由于我國的鋁土礦絕大部分屬于高鋁、高硅難溶的一水硬鋁石型，鋁硅比中等偏低的特點，不能經(jīng)濟地采用國外常規(guī)拜耳法生產(chǎn)氧化鋁，而大部分只能采用堿石灰燒結(jié)法和混聯(lián)法生產(chǎn)氧化鋁的工藝技術(shù)，這兩種生產(chǎn)方法與國外處理高品位鋁土礦的常規(guī)拜耳法比較，存在以下缺點:單位產(chǎn)品的綜合能耗高，工藝流程長，建設(shè)投資大。對于大、中型氧化鋁廠建設(shè)工程，混聯(lián)法單位產(chǎn)品的建設(shè)比常規(guī)拜耳法高很多，隨著我國鋁土礦品位的逐步下降以及能源價格的不斷上漲，現(xiàn)有的混聯(lián)法廠的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)將逐步惡化，制造成本將相應(yīng)提高。我國混聯(lián)法氧化鋁廠近年來均采用大量高品位的民采礦，導(dǎo)致采富棄貧，資源浪費嚴(yán)重。隨著生產(chǎn)的不斷發(fā)展，高品位礦石也將很快用完，預(yù)計僅能維持幾年的時間。若采用低品位礦將使現(xiàn)在鋁廠生產(chǎn)能力大幅度下降，成本升高，經(jīng)濟效益惡化。上述缺點使我國氧化鋁工業(yè)在國際上競爭力不強，進而對其生存與發(fā)展提出了挑戰(zhàn)。且隨著能源價格的不斷上漲和鋁土礦品位的逐年下降，這種挑戰(zhàn)將變得日趨嚴(yán)重。 2真空碳熱還原氯化法煉鋁原理
借助于鋁的低價化合物高溫穩(wěn)定，低溫分解得到金屬鋁和鋁的三價化合物的特性，在鋁土礦與焦炭的反應(yīng)系統(tǒng)中通入三氯化鋁的氣體，此時鋁土礦、焦炭、與三氯化鋁反應(yīng)，得到一氯化鋁(AlCl)，得到的一氯化鋁在反應(yīng)系統(tǒng)中溫度較低的部分分解得到金屬鋁和三氯化鋁，三氯化鋁經(jīng)過收集可以循環(huán)使用，即在整個反應(yīng)系統(tǒng)中三氯化鋁僅僅起到了將鋁土礦中三氧化鋁直接碳還原的媒介作用，但由于它的存在使還原反應(yīng)溫度大大下降，而且可以得到比較純的金屬鋁，從而使從鋁土礦直接碳還原生產(chǎn)金屬鋁的過程成為可能。由于本原理中高溫下形成低價氯化鋁的反應(yīng)是一個氣體體積增大的反應(yīng)，因此可以選擇在真空下進行，這樣可使該步反應(yīng)容易進行。同時選擇在真空下進行煉鋁的研究，主要還有以下一些原因：
（1）該法煉鋁機理的第一步是氣體體積增加的反應(yīng)(Al2O3+AlC13氣+3C……3AlCl氣+3CO氣)，從1個體積的氣體變到6個體積，因此降低反應(yīng)系統(tǒng)的壓力(真空下)會大大有利于反應(yīng)進行，低價鋁化合物分解碳熱還原氧化鋁或鋁土礦的反應(yīng)分為兩步，第一步為高溫下氧化鋁與碳及高價鋁的化合物反應(yīng)生成鋁的低價化合物，第二步為所得到的鋁的低價化合物在低溫下分解得到金屬鋁。
�。�2）由于是在真空下進行的，整個過程所產(chǎn)生的尾氣排放方向控制容易，因此污染的控制也就容易，最終可以成為一個低污染的過程；
（3）由于反應(yīng)系統(tǒng)是在不斷抽真空的條件下進行的，因此系統(tǒng)中的氣體流速非常大，一氯化鋁分解得到的液態(tài)金屬鋁可以很快與系統(tǒng)中存在的氣體(一氧化碳，三氯化鋁)分開，避免金屬鋁與這些氣體發(fā)生反應(yīng)，引起金屬鋁的損失及純度的降低。
�。�4）通過對碳熱還原氯化法煉鋁所需理論電耗的計算可知道，碳熱還原氯化法煉鋁較目前的其他煉鋁方法在能耗方面有較大的優(yōu)勢。
�。�5）鋁土礦中的其它成分如氧化鐵、氧化欽、氧化硅等，由于不會發(fā)生生成氣體的反應(yīng)，因此只能留在爐渣中，而在真空狀態(tài)下進行可讓反應(yīng)溫度較常壓狀態(tài)下低，且AlCl氣體的氣流方向一定，使AlCl的冷凝分解點容易控制，從而實現(xiàn)從鋁土礦一步得到金屬鋁的可能，而且由于其它成分留在爐渣中，因此得到的金屬鋁有很高的純度。
結(jié)語
隨著我國鋁土礦品位的逐步下降以及能源價格的不斷上漲，制造成本將相應(yīng)提高，同時，高品位礦石也將很快用完，若采用低品位礦將使現(xiàn)在鋁廠生產(chǎn)能力大幅度下降，成本升高，經(jīng)濟效益惡化。文章所述這種煉鋁方法可以改變傳統(tǒng)的金屬鋁的生產(chǎn)工藝，是一種很大的改革，因此對該法的研究是很有開發(fā)價值和應(yīng)用前景的。
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