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真空碳热还原氯化法炼铝原理分析论文
摘要：铝土矿中的铝是以氧化铝的形式存在的，因直接还原得到的金属铝与其它杂质无法分离而不能用还原剂将其直接还原出来。文章研究了在真空条件下用碳热还原低价氯化物分解法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：炼铝真空技术碳热还原法
引言
铝是一种轻金属，在自然界中有丰富的储量。其密度是钢铁的1/3，具有大的强度/重量比值和良好的导电性、导热性，铝的表面被一层氧化膜保护而不生锈，同时铝的再生利用率高，因此铝被广泛应用在汽车制造工业，建筑工业和航天航空工业上，是一种重要的经济、战略金属。因此一些缺乏铝土矿资源的国家都在研究利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。但综合处理明矾石的众多方法中已用于工业生产的只有还原焙烧法，此外用烧结法综合处理霞石已经有大规模的工业生产。本文在分析了这几种常见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
非铝土矿原料的共同特点是含有很高的氧化硅，用酸法处理这些原料原则上是合理的。根据所用的无机酸种类的不同，酸法生产氧化铝有各种不同的方案，但它们有着共同的特点，具有类似的生产过程，其中包括矿石的预处理(焙烧和磨细)，用酸溶出(使氧化铝转变为可溶性的无机酸铝盐)，溶出液除铁，铝盐的分解和氢氧化铝锻烧以及酸的回收等。不少国家高硅含铝原料进行了包括盐酸、硫酸、硝酸以及其它酸法流程的研究。也有人对一些国家用各种酸法处理不同原料时的原材料及能量消耗、单位产品的成本和投资进行了估算，并对未来酸法的工业应用作出了乐观的估计。但酸法目前还处于试验阶段，有待改进和完善。
1.2高压水化学法
此法是上世纪五十年代原苏联学者发明的，它是一种用湿法处理高硅含铝原料生产氧化铝的新方法，即以石灰或高浓度碱液处理，再经蒸发、结晶等得到产品。对这一方法的物理化学原理和工艺己经洲行了长期、广泛的研究，取得了重大进展。
高压水化学法与烧结法相比有许多优点：避开了投资大、能耗高的烧结过程，在适当的条件下溶出，可获得高的Al2O3和Na2O溶出率，不用消耗优质煤，有利于环境保护。根据半工业试验结果进行的技术经济比较表明：能耗、投资与产品成本都比采用烧结法显著降低。但这一方法还存在不少缺点，尚需研究改进。
1.3还原焙烧法
这种方法是目前工业上综合处理明矾石的唯一方法。明矾石经脱水及还原焙烧脱出SO3后，再用拜尔法处理，产品为氧化铝、硫酸钾和硫酸。
由于我国的铝土矿绝大部分属于高铝、高硅难溶的一水硬铝石型，铝硅比中等偏低的特点，不能经济地采用国外常规拜耳法生产氧化铝，而大部分只能采用碱石灰烧结法和混联法生产氧化铝的工艺技术，这两种生产方法与国外处理高品位铝土矿的常规拜耳法比较，存在以下缺点:单位产品的综合能耗高，工艺流程长，建设投资大。对于大、中型氧化铝厂建设工程，混联法单位产品的建设比常规拜耳法高很多，随着我国铝土矿品位的逐步下降以及能源价格的不断上涨，现有的混联法厂的技术经济指标将逐步恶化，制造成本将相应提高。我国混联法氧化铝厂近年来均采用大量高品位的民采矿，导致采富弃贫，资源浪费严重。随着生产的不断发展，高品位矿石也将很快用完，预计仅能维持几年的时间。若采用低品位矿将使现在铝厂生产能力大幅度下降，成本升高，经济效益恶化。上述缺点使我国氧化铝工业在国际上竞争力不强，进而对其生存与发展提出了挑战。且随着能源价格的不断上涨和铝土矿品位的逐年下降，这种挑战将变得日趋严重。 2真空碳热还原氯化法炼铝原理
借助于铝的低价化合物高温稳定，低温分解得到金属铝和铝的三价化合物的特性，在铝土矿与焦炭的反应系统中通入三氯化铝的气体，此时铝土矿、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系统中温度较低的部分分解得到金属铝和三氯化铝，三氯化铝经过收集可以循环使用，即在整个反应系统中三氯化铝仅仅起到了将铝土矿中三氧化铝直接碳还原的媒介作用，但由于它的存在使还原反应温度大大下降，而且可以得到比较纯的金属铝，从而使从铝土矿直接碳还原生产金属铝的过程成为可能。由于本原理中高温下形成低价氯化铝的反应是一个气体体积增大的反应，因此可以选择在真空下进行，这样可使该步反应容易进行。同时选择在真空下进行炼铝的研究，主要还有以下一些原因：
（1）该法炼铝机理的第一步是气体体积增加的反应(Al2O3+AlC13气+3C……3AlCl气+3CO气)，从1个体积的气体变到6个体积，因此降低反应系统的压力(真空下)会大大有利于反应进行，低价铝化合物分解碳热还原氧化铝或铝土矿的反应分为两步，第一步为高温下氧化铝与碳及高价铝的化合物反应生成铝的低价化合物，第二步为所得到的铝的低价化合物在低温下分解得到金属铝。
（2）由于是在真空下进行的，整个过程所产生的尾气排放方向控制容易，因此污染的控制也就容易，最终可以成为一个低污染的过程；
（3）由于反应系统是在不断抽真空的条件下进行的，因此系统中的气体流速非常大，一氯化铝分解得到的液态金属铝可以很快与系统中存在的气体(一氧化碳，三氯化铝)分开，避免金属铝与这些气体发生反应，引起金属铝的损失及纯度的降低。
（4）通过对碳热还原氯化法炼铝所需理论电耗的计算可知道，碳热还原氯化法炼铝较目前的其他炼铝方法在能耗方面有较大的优势。
（5）铝土矿中的其它成分如氧化铁、氧化钦、氧化硅等，由于不会发生生成气体的反应，因此只能留在炉渣中，而在真空状态下进行可让反应温度较常压状态下低，且AlCl气体的气流方向一定，使AlCl的冷凝分解点容易控制，从而实现从铝土矿一步得到金属铝的可能，而且由于其它成分留在炉渣中，因此得到的金属铝有很高的纯度。
结语
随着我国铝土矿品位的逐步下降以及能源价格的不断上涨，制造成本将相应提高，同时，高品位矿石也将很快用完，若采用低品位矿将使现在铝厂生产能力大幅度下降，成本升高，经济效益恶化。文章所述这种炼铝方法可以改变传统的金属铝的生产工艺，是一种很大的改革，因此对该法的研究是很有开发价值和应用前景的。
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