真空下从铝土矿提取铝的新工艺.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 收稿日期2009 - 04 - 17 真空下从铝土矿提取铝的新工艺 李秋霞1 ,2,杨斌1,戴永年1 1. 昆明理工大学材料与冶金工程学院,云南 昆明650093 ; 2.云南师范大学化学化工学院,云南 昆明650092 摘要利用低价铝的氟化物在高温下稳定,低温歧化分解可以得到金属铝的特性,用煤作还原剂,在真空条件下,从铝 土矿中提取铝进行了初步实验研究。实验得到在体系残余压力为300Pa～50Pa时,温度在1500K～1900K范围内都 可以得到金属铝。此工艺也可以用于再生铝的回收、 高纯铝的制备以及从低品位含铝原料中提取金属铝。 关键词真空冶金;铝;低价氟化物;歧化反应 中图分类号 TF131 文献标识码 A 文章编号 10022175220090824023 Process on extracting aluminium from bauxite under vacuum LI Qiu - xia1 ,2, YANGBin1and DAI Yong - nian1 1. Institute of V acuum Metallurgy and Material Kunming University of Science and Technoligy , Kunming650093, China;2.Chemistry and Chemical Engineering College of Yunnan Normal University , Kunming650092, China Abstract It was studied extracting Al from bauxite by taking advantage of the peculiarity of sub - fluoride of aluminiumAlF ,aluminium was prepared under vacuum and with coal as reduction agent ,which the sub - fluoride of aluminium can be disproported. The results showed that aluminium was ob2 tained while the pressure of vacuum kiln is between 300Pa and 50Pa , the temperatures is between 1500Kto 1900K. The process is also suitable for re2 covery of aluminium or preparation of high - pure aluminium or extracting Al from poor bauxite. Key words vacuum metallurgy; aluminium; sub - fluoride ; disproportion 我国已成为世界第一原铝生产国,2008年产原 铝超过1300万吨 〔1〕,在世界铝工业中具有举足轻重 的地位。熔盐电解氧化铝制备金属铝自从十九世纪 末叶发明以来,已有一百多年的历史,虽有很大的改 进,但仍然存在许多未能解决的问题 〔2～4〕工艺流 程长,而且需大量原料;投资大;生产能耗大,能耗费 用高达50 。另外,我国铝土矿98 以上为一水硬 铝矿,有高铝、 高硅、 低铁的特点造成铝的成本 高 〔5 ,6〕;氧化铝生产中废弃物赤泥每年数百万吨甚 至上千万吨,占用土地,污染环境。铝工业面临着能 源紧张、 矿石贫化、 环境污染和高成本等问题的挑 战,人们一直以来都在努力研究新的方法,它们包括 碳热还原、 高炉法和低价化合物法等。研究低价化 合物法从含氧化铝原料提取铝的方法取得了一定的 认识和进展 〔7～9〕。本文对真空下用低价铝的氟化 物从铝土矿直接提取金属铝的新工艺进行了实验。 1 用低价氟化铝直接提取铝的原理 〔9〕 铝的氟化物与碳和氧化铝在高温下发生反应, 生成气态的低价铝化合物,而气态的低价铝化合物 在低温下歧化分解为金属铝和铝的化合物,分离后 即得纯铝。可用方程式表示如下 Al2O3 AlF3 3C 3AlFg 3COg⑴ 3AlFg AlF3 2Al⑵ 2 真空下直接提取铝的优越性 〔10〕 真空冶金具有它的特点① 对一切增容反应都 有有益的影响。反应1是一个增容反应,在真空下 有利于生成低价氟化铝。② 真空系统中,金属不会 被氧化。金属铝是活泼金属,在大气中容易氧化,在 真空下可以保护其不被氧化,从而使提取出铝的金 属纯度较高。③ 真空系统是一个基本封闭的体系, 尾气也集中,可减少环境污染。 04 轻 金 属 2009年第8期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 3 实验研究 3. 1 实验原料 铝土矿主要成分见表1中州铝厂提供、 煤见 表 2 、 氟化铝云南铝厂提供。 表1 铝土矿主要成分, Al2O3SiO2FeOTiO2 75. 03. 131. 004. 26 表2 煤种及主要性能指标 煤样 编号 全水分 收到基 Mar. 灰分 干燥基 Ad. 挥发分 干燥无灰基 Vdaf. 粘结指数 G 固定炭 干燥基 FCd. 52. 4924. 3539. 9545. 745. 43 102. 1310. 4319. 2777. 272. 31 166. 5215. 0236. 881053. 64 按10 煤3g、5 煤7g、16 煤10g和铝土矿8g 的比例混合制团,在520℃下进行烧结 〔11〕,使之具 有良好的焦结效果并含有足量的还原用碳。 3. 2 实验研究 3. 2. 1实验操作 1将实验所需氟化铝称量后置于坩埚根据试 验设计底部; 2按实验方案将铝土矿、 混合煤混合均匀,压 团。置于坩埚中部,安装好蒸馏盘底盘再放蒸馏盘, 密封真空炉; 3抽真空,到真空炉极限真空时升温,到520C 左右保温约30分钟,再快速升温,直到主体反应需 要的温度,保温一定时间,即炉内残余压力保持恒定 时,反应完毕; 4切断电源,继续抽真空和水冷装置直到室 温; 5取样。 3. 2. 2 实验结果 当反 应 温 度 分 别 为1200K、1300K、1400K、 1500K、1600K、1700K、1800K和1900K,现象见表 3。 表3 不同反应温度下反应的情况 反应温度铝珠情况氟化物出现状况残渣状况 1200K无白色粉状黑色粉状 1300K无白色粉状黑色粉状 1400K无白色粉状黑色粉状 1500K有白色丝状黑色焦块状 1600K有白色丝状黑色焦块状 1700K有白色丝状黑色焦块状 1800K有白色丝状黑色焦块状 1900K有白色丝状黑色焦块状 实验考虑了温度影响。残余压力为300Pa以 下,温度在1500K～1900K范围内都可以得到金属 铝。当温度为1600K～1700K时得到的金属铝颗粒 最大,直径约4mm ,轻微被氟化物包裹。图1是 1600K、1700K时金属铝的能谱图EDS图 , 从图中 看出杂质含量很少;其中含的氧第一来源为实验后 自身氧化导致的,第二在分析过程中激光照射金属 铝表面引起。图2是金属铝的SEM图,从图2可以 看出金属铝颗粒周围附有氟化物,是因为反应2 歧化分解为金属铝和氟化物是同时进行的。 图1金属铝EDS图 142009年第8期 李秋霞,杨斌,戴永年真空下从铝土矿提取铝的新工艺 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图2 金属铝的SEM图 4 结 语 1 真空下利用低价铝的氟化物从铝土矿中直 接提取金属铝是可行的,工艺简单。 2 反应进行温度为1500K～1900K,系统残余 压力约300Pa以下可以得到金属铝,而且温度为 1600K～1700K时金属铝质量佳,颗粒大,没有夹或 附着氟化物。反应温度为1900K时,金属铝颗粒变 小,氟化物附着较多。 3 金属铝有轻微氧化,纯度较高,金属铝和氟 化物预先物理分离后金属铝可达99. 5 以上,甚至 检测不到杂质。 4 铝和氟化物可以物理分离,氟化物便于回收 再利用。 参考文献 〔1〕 王祝堂. 2008年全球原铝产量〔J〕.轻金属,2009 ,4 18. 〔2〕 陆钦芳.关于我国氧化铝工业竞争力和发展对策的探讨〔J〕.轻金 属,2001 ,5 3 - 6. 〔3〕 方启学,葛长礼.我国铝土矿资源特征及其面临的问题与对策 〔J〕.轻金属,2000 ,10 8 - 11. 〔4〕 刘中凡.世界铝土矿资源综述〔J〕.轻金属,2001 ,5 ,7 - 12. 〔5〕 孟杰.我国铝冶炼技术现状及发展趋势〔J〕.有色金属冶炼部分 2002 ,2 26 - 28. 〔6〕 王平艳,刘谋盛,戴永年.真空碳热还原氯化法从铝土矿炼铝〔J〕. 真空科学与技术学报,2006 ,265 377 - 380. 〔7〕 李秋霞,戴永年,旦义明,等.低价化合物法直接提取铝的研究现 状及展望〔J〕.轻金属,2003 ,8 3 - 5. 〔8〕 李秋霞,戴永年,等.真空下低价氟化铝歧化分解提取铝的研究 〔J〕.有色金属冶炼部分2006 ,155 15 - 16 ,42. 〔9〕 李秋霞,陈为亮,戴永年.真空低价氟化铝歧化分解制备铝〔J〕.中 国有色金属学报2008 ,8 1550 - 1554. 〔10〕 戴永年,杨斌.有色金属材料的真空冶金〔M〕.北京冶金工业出 版社,2000. 〔11〕 李秋霞,罗志敏,熊今春,戴永年.真空下低价化合物法提取铝的 新工艺-原料烧结实验研究〔J〕.真空,2006 ,432 54 - 58. 责任编辑 刘宝兰 ” ” ” ” ” ” ” 上接第28页 保温停留时,溶出已基本完成,溶液中的杂质含量达 到最高水平,这时加入石灰能够迅速的与杂质进行 反应,缩短反应时间,提高反应效果。 3 石灰质量的影响 石灰的质量指的是石灰的化学成分和活性两个 部分。 石灰的化学成分主要指其中杂质CO2、S、P、 SiO2的含量,石灰的活性则主要是通过其反应性 能、 反应能力来衡量的。 活性好的石灰能够有效的提高氧化铝的溶出 率 〔2〕。 4 结 语 以三水铝石为原料的拜耳法生产,添加适量的 石灰可清除杂质、 提高产品质量、 降低碱耗和改善赤 泥的沉降性能,从总的经济效果看是有益的。但是 由于添加石灰也会导致氧化铝溶出率的降低,因此 其添加量一般不大于2. 0 。同时添加石灰石与 否,需根据铝土矿的性质所采用的生产工艺等具体 情况来确定。 一水硬铝石型铝土矿及三水铝石型铝土矿添加 效果及作用机理是有所不同的,根据目前人们普遍 接受的阻滞层理论,一水硬铝石型铝土矿生产过程 中添加石灰的的主要目的是添加石灰生成钙钛化合 物破坏了钛酸钠或钛酸根阻滞层的形成,从而明显 的改善一水硬铝石的溶出性能;而根据对各种试验 数据的统计与分析,三水铝石型铝土矿中添加石灰 的主要目的是为了降低溶液中的杂质水平,改善赤 泥的沉降性能、 提高成品氧化铝的质量,两者的侧重 点有所不同的。 参考文献 〔1〕 杨重愚.轻金属冶金学〔M〕.北京冶金工业出版社, 2006. 〔2〕 毕诗文,等.氧化铝生产工艺〔M〕.北京化学工业出版社,2006. 〔3〕 中铝贵州分公司轻金属研究所.某氧化铝厂三水铝石型铝土矿加 工性能试验报告〔R〕. 2008.责任编辑 张文军 24 轻 金 属 2009年第8期