PDF《氧化铝在碳热还原−氯化法炼铝过程中的行为》

修订日期:2009-11-15 通信作者:杨斌,教授,博士;

电话:0871-5161583;

E-mial:[email protected] 中国有色金属学报

2010 年4月778 自从冰晶石?氧化铝融盐电解法在工业上使用以 来,就一直有人研究其他的炼铝方法[1] .近些年来, 人们对常压下碳热还原氧化铝炼铝进行较多的研究. 多数学者认为[2?5] , 该过程分两步反应:

2 173~2

473 K 时,2Al2O3+9C=Al4C3+6CO;

高于

2 473 K 时, Al2O3+Al4C3=6Al+3CO.GRUNERT 等[6] 提出,低温 区(2 173~2

273 K)碳与氧化铝反应除了生成碳化铝和 一氧化碳, 该过程还有金属铝蒸气和低价氧化铝(Al2O) 气体产生,且反应速率随温度的升高而增大.而LINDSTAD 等[7] 使用 CnHm(1≤n≤12;

2≤m≤26)天然 气作为高温热源(2 228~2

273 K),认为该过程先生成 金属铝、低价氧化铝(Al2O)和一氧化碳混合蒸气,该 混合蒸气又引入另一密闭容器内与预先预热好的氧化 铝与碳反应生成碳化铝,将生成的碳化铝引入另一容 器内与氧化铝反应,生成金属铝和一氧化碳.FRUEHAN 等[8?10] 使用活性炭与氧化铝反应(2 233~

2 293 K),得到与 LINDSTAD[7] 一致的研究结果. HALMANN 等[11] 的研究认为过程分

3 步进行:1) 高 温下,2Al2O3+3C=Al4O4C+2CO;

2) 在稍高的温度 下,Al4O4C+6C=Al4C3+4CO;

3) 在更高的温度下, Al4O4C+Al4C3=8Al+4CO.另外,BRUNO 等[12?13] 、 STEVENSON[14] 和TROUP[15] 在铝硅合金生产并进一 步提取纯铝的过程中,也有与 HALMANN 等[11] 研究 的类似反应: 1) 反应温度为

1 773~1

873 K 时, 3SiO2+9C= 3SiC+6CO;

2) 反应温度为

1 873~2

173 K 时, 2Al2O3+3C=Al4O4C+ 2CO;

3) 反应温度为

2 223~2

473 K 时, Al4O4C +3SiC=4Al+3Si+ 4CO. 常压碳热还原氧化铝的研究较多,而氧化铝在该 过程中的行为也存在两步法与三步法两种学说. 然而, 对于真空下碳热氯化,氧化铝在低价氯化铝法炼铝过 程中的行为,目前尚未见到报道.为此,本文作者对 氧化铝在真空碳热过程与氯化过程中的行为进行热力 学研究及实验验证.

1 实验 1.1 实验原料与设备 主要实验原料:氧化铝(分析纯)、石墨(大于 99.85%)、无水氯化铝(分析纯).实验设备:使用实验 室自行设计的真空炉进行实验[16] . 1.2 实验过程 称取一定摩尔比的石墨与氧化铝,混合均匀,在1~8 MPa 的压力下制成 d

20 mm*5 mm 块后放入干燥 箱内,在150 ℃下干燥

180 min 后,取出后置于真空 炉内坩埚中,密封真空炉.抽真空至极限,开始打开 水冷装置,升温至一定温度始加热炉底氯化铝升华装 置(不充入氯化铝气体时, 研究氧化铝在碳热过程中的 行为;

充入氯化铝气体时,研究氧化铝在碳热氯化过 程中的行为). 恒温至炉内真空压力稳定后, 停止加热, 继续抽真空至室温.开炉取样并称取质量. 1.3 分析测试 采用台湾Agilent Technologies 公司生产的6890N(G1530N)气相色谱仪(GS)对反应气体进行成分 分析;

用日本理学公司 Rigaku X 射线自动衍射仪 (D/max-3B)对样品进行物相分析;

用美国伊达克斯 (EDAX)有限公司 PHOENIXTM 能谱仪(EDS)进行元素 种类与含量的表征.

2 结果与讨论 2.1 气相色谱分析 表1所列为

1 703~1

753 K 碳热过程与

1 753 K 氯 化过程(均为

60 min)的气体气相色谱分析.由色谱分 析原理[17] 可知,峰面积与该气体含量成正比,因此采 用峰面积乘以相应的质量校正因子归一化法进行定量 分析(峰面积近似等于峰高乘半宽).从表