專利名稱：：一種用煤炭還原氧化鋁制備金屬鋁的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于熱還原法生產(chǎn)金屬鋁的
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是提供了一種用煤炭還原氧化鋁制備金屬鋁的方法。二
背景技術(shù)：
：隨著金屬鋁應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，對金屬鋁的需求也在不斷增加。目前，金屬鋁的生產(chǎn)方法主要是冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法。熔融鹽電解是以高純氧化鋁為原料，碳為陰、陽極，在熔融狀態(tài)下通入直流電進(jìn)行電解，陰極得到液體金屬鋁沉積，陽極放出C02。熔鹽電解法是目前金屬鋁生產(chǎn)的成熟工藝，但是其也存在許多缺點(diǎn)。比如對原料氧化鋁的純度要求較高、電能消耗較大等等。有很多研究者對碳熱還原制備金屬鋁進(jìn)行研究。Motzfddt在1989年提出碳熱還原制備金屬鋁的研究分為兩個方向一是以碳為還原劑直接還原氧化鋁獲取金屬鋁；另一個方向是碳熱還原獲取金屬鋁的合金Ginsberg和Sparwald在1965年《碳熱還原冶煉鋁反應(yīng)中的鋁-碳系統(tǒng)》(Beitr3gezurAluminumgewinnungdurchCarbothermisheRedutionAlumiumoxidsunterbesondereBerg(icksichtungdesSystemsAluminum-Kohlenstoff.Aluminum41，4118M1193.)中詳細(xì)描述了以上的兩個研究方向。Alcoa公司是最早采用碳熱還原法制備金屬鋁的公司之一。Foster在1956年和1958年《氧化鋁和碳反應(yīng)中Al203-ALA相圖》和美國專利2829961(Foster,L.M.，Long,G.,Hunter,M.S.,1956.Reactionsbetweenaluminumoxideandcarbon.TheAI2O3—AI4C3phasediagram.JournaloftheAmericanCeramicSociety39，1—11.USPatent2,829,961April8,1958)對碳熱還原反應(yīng)進(jìn)行了如下的描述在反應(yīng)的過程中熔融的金屬鋁相浮在鋁的碳氧化合物上，當(dāng)冷卻熔融的碳化沉積物如碳化鋁時，碳化物可以通過加入助溶劑和熔融的金屬鋁分離開。由于該方法的成本上較電解法還高，所以沒有運(yùn)用到實際的生產(chǎn)中。通過研究和實踐，人們發(fā)現(xiàn)通過碳熱還原反應(yīng)獲取金屬鋁需要通過兩步。Alcoa和Reynolds公司都贊同這種新提法。Alcoa公司采用鼓風(fēng)爐使用兩步法從完全熔融的氧化鋁和碳的熔鹽中獲取金屬鋁。第一步，碳和部分氧化鋁反應(yīng)生成碳化物；第二步，提高溫度或者將第一步生成的熔鹽轉(zhuǎn)移到一個更高溫度的反應(yīng)器中，這樣即能增加碳化物的含量也能是反應(yīng)器中的物料充分反應(yīng)生成熔融的金屬鋁和CO氣體。Reynolds公司對他們的工藝也進(jìn)行了像Alcoa公司那樣的改進(jìn)，Reynolds公司利用的原理為，在相對低溫的條件下反應(yīng)生成碳氧鋁化合物后，再在高溫條件下反應(yīng)生成金屬鋁。Reynolds公司采用工藝的這兩個過程是在同一個爐子內(nèi)循環(huán)發(fā)生，輸送含碳的金屬和含氧的金屬僅僅在特定的一段時間。三
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種碳熱還原生產(chǎn)金屬鋁的方法，以工業(yè)純氧化鋁為提取金屬鋁的原料，煤炭為還原劑，在氬氣保護(hù)、2000。C250(TC條件下，通過碳熱還原過程使氧化鋁中的元素鋁被還原成蒸氣，冷凝后制得結(jié)晶良好的固體金屬鋁，工藝流程見附圖l。其按以下步驟完成(1)分別將原料氧化鋁和還原劑煤炭破磨至粒徑小于200目；所述的原料氧化鋁為工業(yè)純氧化鋁其主要成分重量百分比為A120390-92%，Si020.61-2.0%;所述的還原劑煤炭主要成分重量百分比為C63-70%，Si0211-15%;(2)以反應(yīng)(a)中氧化鋁摩爾化學(xué)當(dāng)量的0.81.5倍配入還原劑煤炭，反應(yīng)原料中添加Si02作為添加劑，其質(zhì)量為氧化鋁與煤炭總量的2~8%,混合均勻，得到氧化鋁煤炭和二氧化硅的混合原料；Al203+3C=2Al+3CO(g)(a)(3)將上述混合原料，以10Mpa50Mpa壓力壓制成圓柱形塊;所述的壓塊為15-20XI0-15mm的柱體；(4)塊狀原料裝入高頻感應(yīng)爐中，氬氣保護(hù)、溫度20002500'C的條件下還原熔煉0.5~2.5小時；(5)降至室溫，開爐得到純度大于80%的金屬鋁。本發(fā)明與公知技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)及積極效果本發(fā)明采用碳還原時，以二氧化硅作為添加劑，通過控制反應(yīng)物料中Si02量只需一次升溫過程，而后自然冷卻就能得到金屬鋁，簡化碳熱還原反應(yīng)的步驟；本發(fā)明僅僅利用高頻感應(yīng)爐就實現(xiàn)了還原出金屬單質(zhì)鋁，降低了對設(shè)備的要求；還原劑為煤炭價格低廉、易得。四圖1是工藝流程圖。五具體實施例方式本發(fā)明所釆用工業(yè)氧化鋁、煤炭及添加劑中主要成分重量百分比的含量如表1表1<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>實施例1將1摩爾(以AW)3計算)的工業(yè)純氧化鋁(35g)與0.9摩爾(以C計算)的煤炭(10.8g)混合均勻，原料中含Si02的質(zhì)量1.3g占總反應(yīng)原料質(zhì)量的2.1%，lOMPa壓力下壓制成塊，裝入高頻感應(yīng)爐，開啟感應(yīng)爐，升溫至200(TC時，還原熔煉2小時，降至室溫，打開感應(yīng)爐，從石墨坩堝上取n^得到的金屬，通過X射線衍射分析，確定為金屬鋁，其純度>80%實施例2將1摩爾(以A1203計算)的工業(yè)純氧化鋁與1摩爾(以C計算)的煤炭(12g)混合均勻，反應(yīng)物工業(yè)純氧化鋁和煤炭中的Si02的質(zhì)量為1.52g添加0.36gSi02，則含&02的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為4%，25MPa壓力下壓制成塊，裝入高頻感應(yīng)爐，開啟感應(yīng)爐，升溫至2500'C時，還原熔煉l小時，降至室溫，打開感應(yīng)爐，從石墨坩堝上取下得到的金屬，通過X射線衍射分析，確定為金屬鋁，其純度>卯％。實施例3將1摩爾(以A1203計算)的工業(yè)純氧化鋁，1.25摩爾(以C計算)的煤炭(15g)混合均勻，反應(yīng)物工業(yè)純氧化鋁和煤炭中的Si02的質(zhì)量為1.75g，添加125gSi02則含Si02的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為4%。50MPa壓力下壓制成塊，裝入高頻感應(yīng)爐，開啟感應(yīng)爐，升溫至200(TC時，還原熔煉1.5小時，降至室溫，打開感應(yīng)爐，從石墨坩堝上取下得到的金屬，通過X射線衍射分析，確定為金屬鋁，其純度>65%。權(quán)利要求1、一種用煤炭還原氧化鋁制備金屬鋁的方法，其特征在于其按以下步驟完成，1)分別將原料氧化鋁和還原劑煤炭破磨至粒徑小于200目；2)以反應(yīng)中氧化鋁摩爾化學(xué)當(dāng)量的0.8～1.5倍配入還原劑煤炭，反應(yīng)原料中添加SiO2作為添加劑，其添加量為氧化鋁與煤炭總量的2～8％，混合均勻，得到氧化鋁煤炭和二氧化硅的混合原料；3)將上述混合原料，以10Mpa～50Mpa壓力壓制成圓柱形壓塊；4)塊狀原料裝入高頻感應(yīng)爐中，控制溫度2000～2500℃的條件下還原熔煉0.5～2.5小時；5)降至室溫，開爐得到純度大于80％的金屬鋁。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的用煤炭還原氧化鋁制備金屬鋁的方法，其特征在于所述的原料氧化鋁為工業(yè)純氧化鋁其主要成分重量百分比為A120390-92%，Si020.61-2.0%;所述的還原劑煤炭主要成分重量百分比為C63-70%，Si0211-15%。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的用煤炭還原氧化鋁制備金屬鋁的方法，其特征在于所述的壓塊為15-20X10-15mm的柱體。全文摘要本發(fā)明涉及一種碳熱還原直接獲取金屬鋁的方法，以工業(yè)純氧化鋁為提取金屬鋁的原料，煤炭碳為還原劑，二氧化硅為反應(yīng)的添加劑。在常壓、高頻感應(yīng)爐內(nèi)2000℃～2500℃條件下，還原熔煉0.5～2.5小時。通過碳熱還原過程使氧化鋁中的元素鋁還原成單質(zhì)，冷凝后制得結(jié)晶良好的固體金屬鋁。工藝流程簡單，原料價格低廉、易得，過程中僅需加入二氧化硅作添加，整個反應(yīng)過程在保護(hù)氣氛中進(jìn)行，且對環(huán)境污染較小，設(shè)備和工藝得到簡化。文檔編號C22B5/00GK101358289SQ200810058949公開日2009年2月4日申請日期2008年9月25日優(yōu)先權(quán)日2008年9月25日發(fā)明者劉大春,劉永成,周曉奎,徐寶強(qiáng),戴永年,濤曲,斌楊,駿楊,汪鏡福,蔣文龍,郁青春,馬文會申請人:昆明理工大學(xué)