真空碳热还原氯化法从铝土矿炼铝的实验.pdf

第5 9 卷第4 期 2007 年11 月 有色金属 N o n f e t r o l l sM e t a b V 0 1 ．5 9 。N o ．4 N o v e m b e r200 7 真空碳热还原氯化法从铝土矿炼铝的实验 王平艳1 ，刘谋盛2 ，戴永年3 1 ．昆明理工大学化学工程学院，昆明6 5 0 2 2 4 ； 2 ．昆明理工大学生命科学与技术学院，昆明6 5 0 2 2 4 ； 3 ．昆明理工大学真空冶金及材料研究所，昆明6 5 0 0 9 3 ‘ 摘要考察反应时间、反应温度、还原剂用量对真空碳热还原氯化法从铝土矿练铝过程的影响。结果表明。真空碳热还原 氯化法从铝土矿炼铝的起点温度一定高于1 1 7 0 “ C ，从1 2 7 0 - - 1 5 7 0 “ C 随着温度的升高，金属的直收率有所提高。随反应时间延长， 金属直收率有所增加，但超过1 2 0 m i n 后，直收率增长缓慢。较适宜的焦炭用量为理论量的1 ．5 倍。 关键词冶金技术；铝；碳热还原；真空；氯化；铝土矿 中图分类号T F 8 2 1 ；T F l l l ．1 3 ；T F l 3 1文献标识码A文章编号1 0 0 1 - 0 2 1 1 2 0 0 7 0 4 - 0 0 9 9 0 3 铝土矿主要成分为氧化铝，碳热还原氯化法从 铝土矿炼铝的反应为A h 0 3 固 3 C 固2 m 液 3 C O 气 高温 ，反应过程为他0 3 固 ～c 1 3 气 3 C 圃 3 A 1 C h t 3 c o ．t ／每i g ，3 舢C l 气一2 m 藏 A l c l 3 气 低 温 。 铝土矿中的其他成分如氧化铁、氧化钛、氧化硅 等，不会发生类似的生成气体的反应，而留在炉渣 中。反应在真空状态下进行，反应温度较常压状态 下低，且趾c l 气体的气流方向一定，使灿C l 的冷凝 分解点容易控制，从而实现从铝土矿一步得到纯度 很高的金属铝。一，’． 用真空碳热还原氯化法实现从含氧化铝原料一 步直接还原制备出金属铝，避免了氧化铝生产和铝 电解，提高了炼铝的生产效率、降低了能耗L l J 。而 且真空碳热还原氯化法所适用的原料不仅仅局限于 高品位铝土矿，高岭土、黏土、粉煤灰、赤泥、长石等 都可以作为原料[ 2 - 1 ，从而扩大了铝生产的资源范 围。在世界能源及铝土矿资源紧张的今天，它的成 功所产生的社会效益是不言而喻的。 根据调查，目前国外已有用碳热还原氯化法从 铝土矿中提取金属铝的专利报道，但至今为止，即便 是国外该法也还未被推广应用，因此继续研究它是 收稿日期2 0 0 6 0 2 1 0 基金项目云南省自然科学基金资助项目 2 0 0 2 E 0 0 1 2 R 作者简介王平艳 1 9 7 3 一 。女，云南大理州人，副教授，博士，主要 从事有色金属真空冶金及化工等方面的研究； 戴永年 1 9 2 9 一 ，男，云南通海县人。教授，中国工程院 院士，主要从事有色金属真空冶金等方面的研究。 很有价值的，国外 如美国、德国等 都在不断加大对 此法的研究力度，目前国内尚无这方面的研究报道。 1实验方法 1 ．1 试验用原料 所用铝土矿、还原剂焦炭及其灰分的组成如表 1 ～表3 所示。氯化剂A 1 C 1 3 为分析纯试剂。 表1 铝土矿组成 T a b l e ．1 I n g r e d i e n t so fb a u x i t e 成分 A 1 2 0 3 S i 0 2F e 2 0 3T i 0 2 表2 还原剂焦炭组成 T a b l e2I n g r e d i e n t so fc o k ea sr e d u c t a n t 成分 兰堕．些垒垒旦 壁旦．坚鲤生 5 3 ．32 8 ．57 ．9 4 ．31 ．54 ．5 含量／％ 1 ．2 试验条件与操作过程 主要考察反应温度、反应时间和还原剂用量三 个因素对反应的影响。试验的具体操作工艺过程 为铝土矿与焦炭混合一制团一烧结 温度3 0 0 “ C 一与气态三氯化铝在真空炉中发生反应一气态一氯 化铝一产品铝。- 万方数据 1 0 0 有色金属 第5 9 卷 2 试验结果和讨论 2 ．1 反应温度对炼铝过程的影响‘ 分别选择1 1 7 0 ，1 2 7 0 ，1 3 7 0 ，1 4 7 0 和1 5 7 0 ℃的 反应温度进行试验，铝土矿1 0 0 9 ，还原剂焦炭 4 7 ．4 9 ，其中焦炭中的固定碳的量为将1 0 0 9 铝土矿 中氧化铝完全反应完所需理论碳量的1 ．5 倍，反应 炉中的压强范围为8 0 ～3 7 5 P a ，反应时间为2 h 。试 验结果如图1 所示。 冰 、 暑l } 罄 互 整 删 罐 图1 反应温度对炼铝过程的影响 F i g ．1 E f f e c to fr e a c t i o nt e m p e r a t u r eO n p r o d u c t i o np r o c e s so fa l u m i n u m t。 随着反应温度的升高，金属铝的直收率逐渐提 高，这主要是因为在相同反应时间下，随着反应温度 的升高，反应速度会大大加快，因此直收率升高。同 时可以看出，从1 2 7 0 ℃到1 3 7 0 ℃直收率增大的幅度 最大 从1 0 ．0 2 ％到3 3 ．8 0 ％，增大了2 3 ．7 8 ％ ，从 1 3 7 0 ℃到1 4 7 0 ℃增大的幅度有所减小 从3 3 ．8 0 ％ 到4 8 ．2 0 ％，增大了1 4 ．4 0 ％ j 而从1 4 7 0 ℃到 1 5 7 0 ℃，增大幅度迸一步减小_ 从4 8 ．2 0 ％到 5 4 ．1 2 ％，增大了5 ．9 2 ％ 。由于目前的实验设备最 高的温度才能达到1 5 9 0 ℃，因此没有继续升高温 度，不过可以预计随着温度的进一步增加，直收率会 进一步提高，但是增加幅度会进一步减小，直到最后 直收率不会随着温度的升高发生变化。这主要是因 为本炼铝过程的第一步生成一氯化铝的过程是一个 典型的固一固一气三相反应，要得到一氯化铝的前 提是铝土矿中的氧化铝必须与焦炭中的碳及气态的 三氯化铝同时接触，由于试验过程中的制团工序，已 经将铝土矿和焦炭紧紧的压在一起，也就是说在反 应的一开始，铝土矿中的氧化铝与焦炭中的碳接触 到的数量就已经确定，因此直收率随温度的升高而 提高是有限度的，当反应物料团块内直接接触的氧 化铝和碳反应完毕，则直收率不会再随着温度的升 高而提高。另外从反应结果还可以看出，当反应温 度为1 1 7 0 ℃及较低温时，反应还不能发生，只有达 到1 1 7 0 ℃以上，1 2 7 0 ℃左右时，反应才开始。． i 2 ．2 反应时间对炼铝过程的影响 分别选择6 0 ，9 0 ，1 2 0 ，1 5 0 和1 8 0 m i n 的反应时 间进行试验，反应温度为1 3 7 0 1 E ，其他条件同前。 试验结果如图2 所示。 图2 反应时间对炼铝过程的影响． F i g ．2 E f f e c to fr e a c t i o nt i m eo np r o d u c t i o a ． ． ’p r o c e s so fa f i a m i r m m ’。 由图2 看，随着反应时间的增长，金属铝的直收 率有所增大，但金属铝的直收率并不是随着时间的 延长成正比例增大，而是有如下的一个变化过程开 始的2 h 内金属的直收率增幅较大 从’0 到 3 3 ．8 ％ ，随着时间从1 2 0 m i n 增到1 5 0 m i n ；金属的 直收率的增幅降到5 ．9 6 ％，随着时间从1 5 0 m i n 增 到1 8 0 m i n ，金属的直收率的增幅就降到了3 ．6 1 ％。 从金属铝的直收率增幅的变化来看，如果时间进一 步延长，则金属铝的直收率的变化会越来越小，可以 估计当时间延长到一定的时候，金属的直收率不会 再有变化，也就是说这时候，再延长反应时间已经没 有任何意义。之所以出现这样的现象，还是由该炼 铝过程原理中的第一步生成一氯化铝的过程是一个 典型的固固一气三相反应以及制团所决定的，也 就是说由于制团时，铝土矿中的氧化铝与焦炭中的 碳接触到的数量就已经确定，反应刚开始时由于直 接接触到的氧化铝和碳的数量很多，因此参与反应 的物料数量就很多，导致金属铝的直收率的变化就 大，随着反应时间的延长这些能接触到的氧化铝和 碳的数量越来越少，直到最后全部反应完毕，就出现 金属铝的直收率变化较小或不再变化的现象。 2 ．3 、还原剂用量对炼铝过程的影响‘ 。，选择还原剂焦炭中的固定碳的量为将1 0 0 9 铝 土矿中氧化铝完全反应完所需理论量的t ．0 ，1 ．5 ， 2 ．0 ，2 ．5 和3 ．0 倍的配比进行试验，焦炭量分别为 3 1 ．6 ，4 7 ．4 ，6 3 ．2 ，7 8 ．8 和9 4 ．8 9 ，反应温度为 1 3 7 0 ℃，反应时间为2 h ，其余条件同前。试验结果 如图3 所示。 ’ 由图3 据可知，当还原剂焦炭中的固定碳的量 由将1 0 0 9 铝土矿中氧化铝完全反应完所需理论量 零、静善互遗媳聒 万方数据 第4 期王平艳等真空碳热还原氯化法从铝土矿炼铝的实验1 0 l 堡 静 塾 室 焉 幕 炭质还原删理论量的倍数7 图3 还原剂用量对炼铝过程的影响 F i g ．3 E f f e c to fr e d u c t a n td o s a g eo np r o d u c t i o n ‘p r o c e s so fa l u m i n u m 的1 倍增加到1 ．5 倍时，也就是随着焦炭用量的增 加，所得到的金属的量有所增加，但是之后随着焦炭 用量的增加得到的金属的量反而有所减少。首先， 参考文献 因为铝土矿中氧化铝占7 5 ％，其余都是杂质，当焦 炭的用量少时，铝土矿中的氧化铝不能与焦炭中的 碳充分接触，导致反应不完全。因此得到的金属量不 大。另外，如果焦炭量过大，可以说铝土矿中的氧化 铝通过制团被碳紧紧围住，使从A l C l ，升华装置中 进来的A I C l 3 气体无法同时接触氧化铝和碳，因此 无法实现三相反应，因此出现了随着焦炭用量的增 加，得到的铝量反而减少的现象。 3结论。 ．真空碳热还原氯化法从铝土矿炼铝的起点温度 一定高于1 1 7 0 ℃，从1 2 7 0 ～1 5 7 0 ℃随着温度的升 高，金属的直收率有所提高。随反应时间延长，金属 直收率有所增加，但超过1 2 0 m i n 后，’直收率增长缓 慢。较适宜的焦炭用量为理论量的1 ．5 倍。 [ 1 ] A d a m sJ rC l y d eM ．A l u m i n u mp r o d u c t i o n U S A ，4 1 8 8 2 0 7 [ P ] ．1 9 8 0 0 2 一1 2 ． [ 2 ] E r w i nM o s e r ．V e r f a h r e nz u rh e r s t e l l u n g ’w o na l u m i n i u m G e r m a n y ，8 1 2 1 1 8 [ P ] ．1 9 5 1 ～0 8 2 7 ． [ 3 ] P a u lW e s s ．P r o c e s sf o rt h ep r o d u c t i o na n dr e c o v e r yo fp u r ea l u m i n i u mw i t ht h ea i do fh a l i d e s B r i t i s h ，7 3 4 4 8 0C I8 2 1 [ P ] ． ．1 9 5 5 一0 8 一0 3 ． [ 4 ] P a u lW e s s ．V e d a h r e nf U rd i er e i n d a r s t e l l u n g 、u n dg e w i r m u n gwona l u m i n i u mm i t t e l sa l u m i n i u m h a l o g e n i d G e r m a n y ，9 6 7 6 9 0 [ P ] ．1 9 5 7 1 2 一0 5 ． [ 5 ] O t h m e rDF ．M e t h o df o rp r o d u c i n ga l u m i n u mm e t a ld i r e c t l yf r o mo r e U S A ，3 7 9 3 0 0 3 [ P ] ．f 9 7 4 一0 2 1 9 ． [ 6 ] O t h m e rDF ．M e t h o df o rp r o d u c i n ga l u m i n u mm e t a ld i r e c t l yf r o mo r e u s A ，3 8 5 3 5 4 1 [ P ] ．1 9 7 4 1 0 1 0 ． [ 7 ] 。F r u c h t e r ，M o s h e ，M o s e o v i c i ，e ta 1 ．P r o c e s sf o rt h em a n u f a c t u r eo fp u r em e t a l l i ca l u m i n u mf r o ma l u m i n u mo r e sa n do t h e ra l u - ． m i n u m - b e a r i n gm a t e r i a l s U S A ，4 4 3 0 1 2 0 [ P t ．1 9 8 4 0 2 0 7 ． ．． [ 8 ] L o u f f yRO ，K e l l e rR ，Y a oN e n g P i n g ．M e t h o do fw i n n i n ga l u m i n u mm e t a lf r o ma l u m i n o u so r e U S A ，4 2 6 5 7 1 6 [ P ] ．1 9 8 1 一 ／ 0 5 一0 5 ． ‘ [ 9 ] H a s sHB ．P r o c e s sf o rm a n u f a c t u r eo fa l u m i f i u m U s A ，4 3 2 4 5 8 5 [ P ] ．1 9 8 2 0 4 1 3 ． [ 1 0 ] W e s t o nD a v i d ．P r o d u c t i o no fap u r i f i e da l u m i n u mm o n o e h l o r i d ef r o ma l u m i n a ，b a u x i t e sa n dc l a y sa n dt h es u b s e q u e n tp r o d u c t i o n o fa l u m i n u mm e t a l U S A ，4 5 3 6 2 1 2 [ P ] ．1 9 8 5 一0 8 2 0 ．。 ，一 [ II ] W e s t o nD a v i d ．P r o d u c t i o no fa l u m i n u mm e t a lf r o ma l u m i n ab a u x i t e sa n dc l a y sb yf i r s t l yp r o d u c i n gap u r i f i e da l u m i n u m m o n o c h l o r i d e U s A ，4 4 3 7 8 8 7 [ P ] ．1 9 8 4 0 3 2 0 ． A l u m i n u mE x t r a c t i o nf r o mB a u x i t eb yC a r b o n t h e r m i cR e d u c t i o n - C h l o r i n a t i o nu n d e rV a c u u mC o n d i t i o n W A N GP i n g - y a n l ，．L I UM o u s h e n 9 2 ，D A IY o n g - n i a n 3 ， ’ ，1 1 ．C o l l e g eo fB i o l o g i c a la n dC h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，K u n m i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，K u n m i n g6 5 0 2 2 4 ，C h i n a ； 2 ．C o l l e g eo fL i f eS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，K u n m i n gU n i v e r s i t yo f , S c i e n c ea n dT 誓h n o l o g yK u n m i n g6 5 0 2 2 4 ，C h i n a ； 。 3 ．I n s t i t u t eo fV a c u u mM e t a l l u r g ya n dM a t e r i a 3 ，K u n ．砌n gU n i z 世r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，K u n m i n g , 6 5 0 0 9 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c t so ft h et e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n ss u c h 丛r e a c t i o nt i m e ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n dr e d u c t a n td o s a g e o nt h ep r o c e s so fa l u m i n u me x t r a c t i o nf r o mb a u x i t eb ye a r b o n t h e r m i cr e d u c t i o n c h l o r i n a t i o nu n d e rv a c u u ma r e i n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n i t i a lt e m p e r a t u r eo ft h er e a c t i o np r o c e s si Sa b o v e1 1 7 0 ℃。a n dt h ee 斯 t r a c t i o nr a t eo ft h ea l u m i n u mi Si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h er e a c t i o nt e m p e r a t u r ef r o m1 2 7 0 ℃t o1 5 7 0 ℃． ．T h ee x t r a c t i o nr a t eo ft h ea l u m i n u mi si n c r e a s e dw i t ht h ep r o l o n g i n go fr e a c d o nt i m e ，w h i l et h e 遍c } e a s i n gb e c o m es l o w l ya f t e r1 2 0m i nr e a c t i o n ．T h eo p t i m a ld o s a g eo fc o k ea sr e d u c t a n ti s1 ．5t i m e so ft h es t o i c h i o m e t r y ． K e y w o r d s m e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g y ；a l u m i n u m ；c a r b o n t h e r m i cr e d u c t i o n ；v a c u u m ；c h l o r i n a t i o n ；b a u x i t e 万方数据