专利名称：氯化钠—氧化铝熔盐炭还原法炼铝工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及氧化铝熔盐炼铝工艺方法，特别是利用氯化钠还原法炼铝的一种氯化钠——氧化铝熔盐炭还原法炼铝工艺。
背景技术：
长期以来都采用冰晶——氧化铝熔盐电解法炼铝，其存在的问题如下1、能量利用率低，电能效率只有40～50％。
2、电解所需的原料和材料费。
3、吨铝直流电单耗13500～15000 1千瓦时。
4、单槽产能低，设备投资大。
发明内容
本发明的目的是提供一种投资少、见效快，单炉的产能大、能降低生产成本的一种利用氯化钠做溶剂、同时也是催化剂，采用炭还原法进行炼铝的氯化钠——氧化铝熔盐炭还原法炼铝工艺。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的一种氯化钠——氧化铝熔盐炭还原法炼铝工艺，其特征在于按照下述步骤和方法完成a、将煅后石油焦或冶金焦破碎1～0mm或粉料；b、氧化铝放入浓度为0.5～～20％的盐酸溶液中浸泡4～24小时；c、浸泡后的氧化铝在100～500℃温度下烘干；d、将所得炭粉和氧化铝按每吨氧化铝混合174kg±0.1g的炭粉混合；e、将混合物加入冶炼炉内，炉温在800～820℃之间，氯化钠开始融化；f、将氧化铝分次加入到氯化钠熔盐中，首次加入0.5～1.0％的氧化铝，以后每次加入的氧化铝浓度控制在1.0～3.0％之间。
可使用的添加剂在氯化钠熔盐中适量的添加添加剂，可降低冶炼温度，减少熔盐的挥发损失等。
可使用的添加剂有碱金属和碱土金的氯化物、氟化物以及氧化物和炭酸盐。
各种添加剂的添加量为(占氯化钠量的)碱金属、碱土金属0～3.0％ 碱金属氯化物0～50％ 碱土金氯化物0～50％碱土金属氟化物0～45％ 碱金属和碱土金属氧化物以及炭酸盐0～10％根据上述反应原理，只要是能够溶解氧化铝的碱金属和碱土金属的氟、氯化物，并且可以按照反应(2)(3)式进行化学反应，同时，铝能够稳定地存在其熔盐中，均可作为炭还原炼铝的溶剂和催化剂。
氯化钠——氧化铝熔盐炭还原法炼铝原理在800℃的温度时，氯化钠的密度为1.549g/cm3，炭的密度为2.26g/cm3。经过煅烧的石油焦炭粒的密度均大于2.0g/cm3。即在800℃以上的温度时，炭可沉入氯化钠熔盐中。而铝在800℃时的密度为2.343g/cm3，铝也可以沉入熔盐中，并进入熔盐底部。
根据化学反应原理，对于任何一个化学反应式都有一个平衡常数K。也就是说，所有的化学反应式都可以认为是一个可逆反应。而氧化铝溶解于氯化钠熔盐中的反应，可认为是下列反应式的结果2AlCl3+3Na2O＝Al2O3+6NaCL (1)根据上式反应结果可以认为，氧化铝溶解于氯化钠中，是氯化铝与氧化钠的混化物，或着是氧化铝溶解于氯化钠中熔盐的分子结构。
由热力学计算表明，在800℃的条件下，氯化铝、氧化钠与炭发生反应成铝2AlCl3+3Na2O+3C＝2Al+6NaCl+3CO (2)4AlCl3+6Na2O+3C＝4Al+12NaCl+3CO2(3)已生成的铝可以与炭反应，生成炭化铝4Al+3C＝Al4C3(4)由上述反应式可知，炭化铝是由已生成的铝与炭发生反应的结果，而炭化铝与氧化铝-氧化钠熔盐可发生下列发应4AlCl3+6Na2O+Al4C3＝8Al+12NaCl+3CO2(5)铝在纯氯化钠中的溶解度约为0.063g。由化学炼铝法，钠还原NaCl·AlC3配合物，制取铝以及氯化铝电解法和热力学计算表明，铝是可以稳定地存在于氯化钠熔盐中。
该炼铝法中，还存在下列反应式2Al+3Na2O＝2Al2O3+6Na(6)2AlCl3+6Na2＝2Al+6NaCl (7)
由热力学计算表明，炭与氯化钠、氯化铝以及氧化钠，在低于900℃的条件下，均不能发生反应。
由此研究结果说明，氧化铝溶解于氯化钠熔盐中与炭发生反应，只要有气体产生，则必然有铝的生成。换言之，只要有铝的生成反应，则必然有气体产生。同时也说明，氯化钠是该反应的溶剂，也是催化剂。
使用炭质材料坩埚的试验该试验是利用溶解的氧化铝与坩锅材料炭之间的反应。试验装置见图。
首先将盛有氯化钠的坩锅放置电阻炉内，炉温升至于800～820℃之间，在800℃的条件下，氯化钠开始融化。然后将氧化铝加入到熔盐中，每次加入的氧化铝浓度约为0.5％。氧化铝的溶解时间约在2秒钟左右。随着氧化铝的溶解，在熔盐的表石上迅速产生气泡，说明此时已有铝的生成反应，随着氧化铝的加入，反应不断进行，熔盐的粘度开始增大，说明熔盐中已溶解了炭化铝，熔盐出现“稀粥”现象，该现象与冰晶——氧化铝电解法中的含炭现象相同。再继续加入氧化铝，氧化铝浮于溶盐表面，当氧化铝发生部分溶解时，可观察到气体的发生，熔盐的粘度开始下降。上述试验表明，氧化铝溶解于氯化钠熔盐中与炭可以发生反应，并生成铝。同时，炭化铝也可以与溶解的氧化铝发生反应生成铝。
待熔盐冷却后，进行破碎，同时观察坩锅底部无明显的铝。(肉眼观察)。但在熔盐中黄色成份明显较多，而炭化铝呈黄色。
化学分析炭化铝可以与水、盐酸、氢氧化钠发生反应，而铝与水之间的反应不甚明显，与盐酸、氢氧化钠可发生较为明显的反应。
Al4C3+12H2O＝4Al(OH)3+3CH4(6)Al4C3+4NaOH+4H2O＝4NaAlO2+3CH4(7)Al4C3+12HCl＝4AlCl3+3CH4(8)2Al+6HCl＝2AlCl3+3CH2(9)2Al+2NaOH+12H2O＝2NaAlO2+H2(10)将该熔盐分别与水、盐酸、氢氧化钠反应，均可明显看到液体中有气体产生。说明黄色成份是炭化铝。
根据上述试验，化学分析结果以及化学反应式可知，熔盐中必须保持适当的氧化铝浓度，一方面可增加反应速度，同时，也可减少炭化铝的生成反应。但氧化铝的浓度不宜过高。由试验可知，在含有氯化钠的条件下，铝和炭之间的反应速度明显加快，同时也说明，炭质材料不能作为该炼铝法的内衬材料。
本发明具有以下优点1、生产工艺简单。
2、可使用电、煤、油、煤气、重油等物质作为加热原料。
3、本冶炼方法是化学反应，而不是电化学反应，不需要通直流电，节约成本，冶炼温度低，可极大地降低铝的生产成本，比冰晶石——氧化铝熔盐电解法炼铝降低生产成本约20～30％。
4、投资少、见效快，单炉的产能大。大约是210kA电解槽生产能力的200倍左右。
5、对环境的污染小，劳动强度低。
具体实施例方式
本发明对内衬材料的要求内衬材料中所含的成份，不能与铝、氯化钠、氯化铝、氧化钠发生反应，可使用氮化物的耐火材料，做为内衬材料较为理想。
实施例1选用100毫升氮化硼坩锅的试验1、原料均选用工业级。氧化铝一级98.6％，煅后石油焦含炭大于98.95％，粒度1mm。氯化钠化学试剂150g。
2、氧化铝放入浓度为10％的盐酸溶液中浸泡4小时；3、浸泡后的氧化铝在100℃温度下烘干；4、将所得氧化铝25.0±0.1g，炭4.4±0.1g混合均匀；5、将混合物加入冶炼炉内，炉温在800℃，氯化钠开始融化；6、将氧化铝加入到氯化钠熔盐中，先加入0.5％氧化铝，以后每次加入的氧化铝浓度为1.0％。
加料方式每次加入氧化铝约5g，时间间隔约10分钟。冶炼时间为60分钟。
得到的铝为10.7±0.1g。
实施例2
选用200毫升氮化硼坩锅的试验1、原料均选用工业级。氧化铝一级98.6％，煅后石油焦含炭大于98.95％，粒度0？mm。氯化钠化学试剂300g。
2、氧化铝放入浓度为3％的盐酸溶液中浸泡24小时；3、浸泡后的氧化铝在500℃温度下烘干；4、将所得氧化铝50.0±0.1g，炭8.8±0.1g混合均匀；5、将混合物加入冶炼炉内，炉温在820℃，氯化钠开始融化；6、将氧化铝加入到氯化钠熔盐中，先加入0.5％氧化铝，以后每次加入的氧化铝浓度为3.0％。
加料方式每次加入氧化铝约10g，时间间隔约20分钟，冶炼时间为100分钟。
得到的铝为21.3±0.1g。
实施例3选用100毫升氮化硼坩锅的试验1、原料均选用工业级。氧化铝一级98.6％，煅后石油焦含炭大于98.95％，粒度1mm。氯化钠化学试剂150g。
2、氧化铝放入浓度为0.5％的盐酸溶液中浸泡4小时；3、浸泡后的氧化铝在100℃温度下烘干；4、将所得氧化铝25.0±0.1g，炭4.4±0.1g混合均匀；5、将混合物加入冶炼炉内，炉温在800℃，氯化钠开始融化；6、将氧化铝加入到氯化钠熔盐中，先加入0.5％氧化铝，以后每次加入的氧化铝浓度为1.0％。
加料方式每次加入氧化铝约5g，时间间隔约10分钟。冶炼时间为60分钟。
得到的铝为10.7±0.1g。
实施例4选用200毫升氮化硼坩锅的试验1、原料均选用工业级。氧化铝一级98.6％，煅后石油焦含炭大于98.95％，粒度0mm。氯化钠化学试剂300g。
2、氧化铝放入浓度为20％的盐酸溶液中浸泡24小时；
3、浸泡后的氧化铝在500℃温度下烘干；4、将所得氧化铝50.0±0.1g，炭8.8±0.1g混合均匀；5、将混合物加入冶炼炉内，炉温在820℃，氯化钠开始融化；6、将氧化铝加入到氯化钠熔盐中，先加入0.5％氧化铝，以后每次加入的氧化铝浓度为3.0％。
加料方式每次加入氧化铝约10g，时间间隔约20分钟，冶炼时间为100分钟。
得到的铝为21.3±0.1g。
权利要求
1.一种氯化钠——氧化铝熔盐炭还原法炼铝工艺，其特征在于按照下述步骤和方法完成a、将煅后石油焦或冶金焦破碎1～0mm或粉料；b、将氧化铝放入浓度为0.5～20％的盐酸溶液中浸泡4～24小时；c、浸泡后的氧化铝在100～500℃温度下烘干；d、将所得炭粉和氧化铝按每吨氧化铝混合174kg±0.1g的炭粉混合；e、将混合物加入冶炼炉内，炉温在800～820℃之间，氯化钠开始融化；f、将氧化铝分次加入到氯化钠熔盐中，首次加入0.5～1.0％的氧化铝，以后每次加入的氧化铝浓度控制在1.0～3.0％之间。
2.根据权利要求1所述的一种氯化钠——氧化铝熔盐炭还原法炼铝工艺，其特征在于在氯化钠熔盐中可添加下述成分和含量的添加剂中的一种或几种碱金属或碱土金属0～3.0％；碱金属氯化物0～50％；碱土金氯化物0～50％；碱土金属氟化物0～45％；碱金属或碱土金属氧化物、或炭酸盐0～10％。
3.根据权利要求1所述的一种氯化钠——氧化铝熔盐炭还原法炼铝工艺，其特征在于步骤b中盐酸溶液的浓度为3～10％。
全文摘要
一种氯化钠—氧化铝熔盐炭还原法炼铝工艺，采用下述方法和步骤将煅后石油焦或冶金焦破碎1～0mm或粉料；氧化铝放入浓度为0.5～20％的盐酸溶液中浸泡4～24小时；浸泡后的氧化铝在100～500℃温度下烘干；将所得炭粉和氧化铝按每吨氧化铝混合174kg±0.1g的炭粉混合；将混合物加入冶炼炉内，炉温在800～820℃之间，氯化钠开始融化；将氧化铝分次加入到氯化钠熔盐中，首次加入0.5～1.0％的氧化铝，以后每次加入的氧化铝浓度控制在1.0～3.0％之间。本发明利用氯化钠做溶剂、同时也是催化剂，采用炭还原法进行炼铝，投资少、见效快，单炉的产能大、降低了生产成本。
文档编号C22B21/02GK1952190SQ200510096249
公开日2007年4月25日 申请日期2005年10月21日 优先权日2005年10月21日
发明者钟群标 申请人:钟群标