真空碳热还原氯化炼铝原理分析报告

铝土矿中的铝以氧化铝的形式存在，直接还原得到的金属铝不能与其他杂质分离，所以不能用还原剂直接还原。本文研究了真空下碳热还原分解低价氯化物从铝土矿直接炼铝的原理，为相关工程实践提供参考。

关键词:碳热还原法铝熔炼真空技术

介绍

铝是一种轻金属，在自然界中储量丰富。其密度为钢的1/3，强度/重量比大，导电性和导热性好。铝表面有氧化膜保护不生锈，铝的回收率高。因此，铝被广泛应用于汽车制造业、建筑业和航空航天业，是一种重要的经济和战略金属。因此，一些缺乏铝土矿资源的国家正在研究用这些原料生产氧化铝的方法，其中研究最多的是酸法、高压水化学法和石灰石烧结法。然而，在明矾石的多种综合处理方法中，只有还原焙烧法已用于工业生产，此外，烧结法综合处理霞石已广泛用于工业生产。本文在分析这些常用方法的基础上，研究了真空碳热还原氯化法炼铝的原理。

1常见的炼铝方法

1.1酸法

非铝土矿原料的特点是二氧化硅含量高，原则上用酸法处理这些原料是合理的。根据所用无机酸的种类不同，酸法生产氧化铝有各种方案，但它们具有相同的特点，生产工艺也相似，包括矿石预处理(焙烧和研磨)、酸浸(将氧化铝转化为可溶性无机酸铝盐)、浸出液除铁、铝盐分解和氢氧化铝煅烧、酸回收。许多国家研究了高硅高铝原料包括盐酸、硫酸、硝酸等酸法。有人还对一些国家用各种酸法处理不同原料时的原料和能耗、单位产品的成本和投资进行了估算，并对酸法今后的工业应用作出了乐观的估计。但酸法仍处于实验阶段，有待改进和完善。

1.2高压水化学法

这种方法是前苏联的学者在20世纪50年代发明的。高硅含铝原料湿法处理生产氧化铝是一种新方法，即用石灰或高浓度碱液处理，然后蒸发结晶得到产品。对该方法的物理化学原理和技术进行了长期广泛的研究，并取得了很大的进展。

与烧结法相比，高压水化学法有很多优点:避免了投资大、能耗高的烧结过程，在合适的条件下可以获得较高的Al2O3和Na2O溶出率，不消耗优质煤，有利于环境保护。根据半工业试验结果，技术经济比较表明，能耗、投资和产品成本明显低于烧结法。但是这种方法还存在很多不足，需要研究和改进。

1.3还原焙烧法

该方法是目前工业上综合处理明矾石的唯一途径。将明矾脱水、还原、焙烧以除去SO3，然后用拜耳法处理。产品为氧化铝、硫酸钾和硫酸。

由于我国铝土矿大多属于高铝高硅的一水硬铝石型，铝硅比中等偏低，采用国外常规拜耳法无法经济地生产氧化铝，大多只能采用碱石灰烧结法和混合法生产氧化铝。与国外常规拜耳法处理高品位铝土矿相比，这两种生产方法存在以下缺点:单位产品综合能耗高、工艺流程长、建设投资大。对于大中型氧化铝厂的建设项目，混合法的单位产品建设远远高于常规拜耳法。随着我国铝土矿品位的逐渐下降和能源价格的不断上涨，现有混合法工厂的技术经济指标将逐渐恶化，生产成本也将相应增加。近年来，我国氧化铝厂大量使用高品位私采，造成资源浪费和弃贫。随着生产的不断发展，高品位矿石很快就会用完，预计只能维持几年。如果使用低品位矿石，铝厂的生产能力将大大降低，成本增加，经济效益恶化。上述不足使得中国氧化铝产业在国际上缺乏竞争力，进一步挑战其生存和发展。随着能源价格的上涨和铝土矿品位的逐年下降，这一挑战将变得日益严峻。真空碳热还原氯化法炼铝的原理

本发明利用铝的低价化合物在高温下稳定，在低温下分解得到金属铝和铝的三价化合物的特性，将三氯化铝气体通入铝土矿和焦炭的反应体系中，铝土矿和焦炭与三氯化铝反应得到一氯化铝(AlCl)，得到的一氯化铝在反应体系中较低的温度下分解得到金属铝和三氯化铝，三氯化铝收集后可循环使用。也就是说，在整个反应体系中，三氯化铝只是作为铝土矿中氧化铝直接碳还原的介质，但由于它的存在，还原反应温度大大降低，可以得到相对纯净的金属铝，从而使铝土矿直接碳还原生产金属铝成为可能。在这个原理中，高温下形成低价氯化铝的反应是一个气体体积不断增加的反应，因此可以在真空中进行，这使得这一步反应变得容易。同时，真空下炼铝的研究主要是由于以下原因:

(1)该方法炼铝机理的第一步是增加气体体积的反应(Al2O3+AlC13气体+3c...3LCL气体+3CO气体)，从1气体体积变为6气体体积。因此，降低反应体系的压力(真空下)将大大促进反应，低价铝化合物碳热分解还原氧化铝。第一步是氧化铝与碳和高价铝化合物在高温下反应生成低价铝化合物，第二步是得到的低价铝化合物在低温下分解得到金属铝。

(2)由于是在真空中进行，整个过程中产生的尾气排放方向容易控制，因此污染控制也容易，最终可以成为低污染工艺；

(3)由于反应体系是在连续抽真空的条件下进行的，所以体系中的气体速度很大，一氯化铝分解得到的液态金属铝可以迅速与体系中存在的气体(一氧化碳、三氯化铝)分离，避免金属铝与这些气体发生反应，造成金属铝的损失和纯度的降低。

(4)通过对碳热还原氯化法炼铝所需理论电耗的计算，可知碳热还原氯化法在能耗方面比目前其他炼铝方法有更大的优势。

(5)铝土矿中的其他成分，如氧化铁、氧化锌、氧化硅等。由于不会反应生成气体，只能残留在渣中，但反应温度可以低于真空下常压状态下的温度，AlCl气体的气流方向是一定的，因此AlCl的冷凝分解点容易控制，从而实现了从铝土矿中一步获得金属铝的可能性，并且由于其他成分残留在渣中，获得的金属铝纯度高。

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随着我国铝土矿品位的逐渐下降和能源价格的不断上涨，制造成本也会相应增加，同时高品位矿石也将很快用完。如果使用低品位矿石，铝厂的生产能力将大大降低，成本增加，经济效益恶化。本文所述的炼铝方法可以改变金属铝的传统生产工艺，是一项重大改革，因此对该方法的研究具有很大的开发价值和应用前景。

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