一种碳热还原制备金属铝的方法与流程

本发明涉及金属材料制备技术领域，具体涉及一种碳热还原制备金属铝的方法。

背景技术：

铝是目前仅次于钢铁的第二大类金属，具有密度低、抗腐蚀性能优良、导热导电性好、弹性模量高等优点，拥有广阔的应用领域：铝以其在空气中的稳定性和经阳极处理后极佳的外观被广泛应用在建筑业；铝具有密度低，且高强度、塑性好，可用于加工成各种型材；铝具有优良导电性和导热性等优点，被广泛应用于航空航天以及军工等领域；铝还被广泛应用于汽车制造，集装箱运输，日常用品，家用电器，机械设备等方面。

金属铝常通过提炼技术制备，常见的提炼技术有电热法、电解法和直接碳热还原法。电热法是一种通过电热的途径还原铝化合物以制取纯金属铝的方法。电热法存在着电耗高，提炼产品纯度低的弊端，只能适应于电价便宜的地区。电解法是目前铝生产领域中唯一的商业方法，需采用自耗碳阳极。但是电解法会产生大量赤泥无法处理，并且还会产生全氟碳化物气体，具有高污染、高能耗的弊端，并且生产出的金属铝中杂质不易脱出。

直接碳热还原法通过在高温条件下利用碳把金属从金属氧化物中直接还原出来，具有流程短、节能的优点，受到广泛关注。但氧化铝直接碳热还原反应中如果不加保护性气体控制还原生成的金属铝与生成的碳化铝、碳氧化铝等物质混合在一起难于分离一直制约着该方法的推广。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种碳热还原制备金属铝的方法。本发明提供的方法能耗低，生产温度低，对环境污染显著减小。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种碳热还原制备金属铝的方法，包括以下步骤：

(1)将氧化铝粉、碳粉和水混合后进行压制，得到压坯；

(2)将所述压坯置于反应仓中，在1～10pa条件下将所述压坯升温至800℃；再向反应仓中通入保护性气体，同时通过压力控制装置控制反应仓内压强，当反应仓内压强达到100～500pa后升温至1550～1650℃进行碳热还原反应，生成的气态铝在保护性气流的作用下在收集仓中富集，得到液态金属铝；

所述收集仓和反应仓通过管道连通。

优选的，所述收集仓位于反应仓的下部；所述保护性气体的通入口位于压坯正上方14～16cm。

优选的，所述步骤(2)中两次升温的速率独立地为5～30℃/min。

优选的，所述步骤(2)中保护性气体的流量为2～5.2l/min。

优选的，所述步骤(2)中保护气体包括氮气和/或氩气。

优选的，所述步骤(2)中碳热还原反应的为60～180min。

优选的，所述步骤(1)中氧化铝粉和碳粉的质量比为7:(3～5)；水的质量与氧化铝粉和碳粉总质量的比为1：(8～10)。

优选的，所述氧化铝粉和碳粉的粒径独立在50目以下。

优选的，从化学成分上，所述碳粉为焦碳、石油焦和焦煤中的一种或多种。

优选的，所述步骤(1)中压制的压力为5～10mpa。

本发明提供了一种碳热还原制备金属铝的方法，首先将氧化铝粉、碳粉和水混合后进行压制，得到压坯；将所述压坯置于反应仓中，在1～10pa条件下将所述压坯升温至800℃；再向反应仓中通入保护性气体，同时通过真空泵控制反应仓内压强，当反应仓内压强达到100～500pa后升温至1550～1650℃进行碳热还原反应，生成的气态铝在保护性气流的作用下在收集仓中富集，得到液态金属铝；所述反应仓和收集仓通过管道连通。

本发明现在1～10pa条件下升温至800℃，再通入保护性气体，待升压至100～500pa后，结合压力控制装置的调控维持反应仓内压力恒定条件下在在1550～1650℃进行碳热还原，结合保护气流的作用，使得生成的气态铝在收集仓形核和富集，得到液态的金属铝，使得气态铝较为集中，分散度小，避免低温冷凝过程气态铝的氧化，抑制碳热还原过程低价氧化铝气体的生成，进而提高了金属铝的直收率和纯度。实验结果表明，本发明提供的方法简单，能耗低，铝的直收率高等。

附图说明

图1为本发明碳热还原制备金属铝的方法的工艺流程图；

图2为实施例1制备得到的富集物的xrd图；

图3为实施例2制备得到的富集物的xrd图；

图4为实施例3制备得到的富集物的xrd图。

具体实施方式

本发明提供了一种碳热还原制备金属铝的方法，包括以下步骤：

(1)将氧化铝粉、碳粉和水混合后进行压制，得到压坯；

(2)将所述压坯置于反应仓中，在1～10pa条件下将所述压坯升温至800℃；再向反应仓中通入保护性气体，同时通过压力控制装置控制反应仓内压强，当反应仓内压强达到100～500pa后升温至1550～1650℃进行碳热还原反应，生成的气态铝在保护性气流的作用下在收集仓中富集，得到液态金属铝；

所述反应仓和收集仓通过管道连通。

本发明提供的碳热还原制备金属铝的方法工艺流程图如图1所示，将氧化铝、碳粉和蒸馏水混合后压坯，经碳热还原生成气态铝，在保护气流作用下，使生成的气态铝在收集区富集得到液态金属铝。

本发明通过控制保护性气流及反应区与形核富集区的分离，控制生成的气态铝在收集仓形核和富集为液态铝，避免气态铝低温冷凝过程生成的冷凝物分散度高导致的氧化问题，并可抑制碳热还原过程低价氧化铝气体的生成，从而有效避免了低价氧化铝气体冷凝过程的歧化反应，及低价氧化铝气体与一氧化碳气体生成碳化铝及碳氧化铝的弊端，进而提高了金属铝的直收率和纯度。

再者，本申请首先在低压状态下升温至800℃，再通入保护性气体，能够有效避免反应物料被保护性气体吹散从而被真空泵吸走，反应物料在温度达到800℃附近时自身具有焦化作用此时通入气体物料不会被吹散。

本发明将氧化铝粉、碳粉和水混合后进行压制，得到压坯。

在本发明中，所述氧化铝粉和碳粉的质量比优选为7:(3～5)，进一步优选为7:4。在本发明中，所述氧化铝粉和碳粉的质量比在上述范围内能够保证氧化铝粉被充分还原，且剩余的碳粉较少。在本发明中，所述氧化铝粉的粒径优选在50目以下，进一步优选为50～150目，更优选为100目。本发明对所述氧化铝粉的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。

在本发明中，从化学组成上，所述碳粉优选为焦炭、石油焦和焦煤中的一种或多种。在本发明中，所述碳粉的粒径优选在50目以下，进一步优选为50～150目，最优选为100目。本发明对所述碳粉的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述碳粉作为还原剂，能够在高温条件下将氧化铝还原为单质铝。本发明严格控制氧化铝粉和碳粉的粒径，使得在混合时二者混合均匀，充分接触，便于后续反应时，充分进行。

在本发明中，所述水的质量与氧化铝粉和碳粉总质量的比为1：(8～10)，进一步优选为1：9。在本发明中，所述水优选为蒸馏水。在本发明中，所述水能够使氧化铝粉和碳粉混合均匀，用来更好的压坯防止喷膛。

本发明对所述氧化铝粉、碳粉和水的混合的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备混合物料的技术方案即可。

在本发明中，所述压制的压力优选为5～10mpa，进一步优选为6～9mpa，更优选为7～8mpa。在本发明中，所述压制能够保证后续烧结过程中氧化铝粉与碳粉的充分接触，便于碳热还原反应的进行。

得到压坯后，本发明将所述压坯置于反应仓中，在1～10pa条件下将所述压坯升温至800℃，进一步优选为5～10pa。在本发明中，所述升温的速率优选为5～30℃/min，进一步优选为10～20℃/min。本发明在该升温过程中，压坯中的水蒸发；同时利用焦炭、石油焦和焦煤的焦化作用使烧结的压坯更致密以解决真空下喷膛现象。

升温至800℃后，本发明再向反应仓中通入保护性气体，同时通过控制压力控制装置控制反应仓内压强，当反应仓内压强达到100～500pa后升温至1550～1650℃进行碳热还原反应，生成的气态铝在保护性气流的作用下在收集仓中富集，得到液态金属铝。在本发明中，所述保护性气体的通入口优选位于压坯正上方14～16cm，进一步优选为14.5～15cm。在本发明中，保护性气体的流量优选为2～5.2l/min，进一步优选为3～4l/min；所述保护气体优选包括氮气和/或氩气。本发明通过通入保护性气体使得反应仓内压强达到100～500pa，优选为200～500pa，进一步优选为300～500pa，更优选为500pa。在本发明中，所述压力控制装置优选为真空泵，保护性气体的不断通入使得反应仓内压强不断提高，待达到目标压强后，该压力控制装置不断抽气，使得气体不断排出，使得反应仓内压强在目标压强范围内。本发明通入的是惰性气体，不参加碳热还原反应，起到稀释产物气体的作用，而同时在真空泵的抽气作用下，产物气体排出，从而保证了碳热还原反应在较低的真空度下进行；在本发明中，所述压力控制装置的抽气孔位于反应仓外侧，所述抽气孔与反应仓优选相距10～20cm，便于多余保护性气体的排出，同时避免气态铝被直接抽走。

达到目标压强后，本发明升温至1550～1650℃进行碳热还原反应，生产的气态铝在保护性气流的作用下在收集仓中富集，得到液态金属铝。

本发明优选在升温至1200～1600℃，进一步优选为1550～1650℃，更优选为1600～1650℃，最优选为1650℃。在本发明中，所述升温的速率优选为5～30℃/min，进一步优选为10～20℃/min。本发明升温至目标温度后进行保温发生碳热还原反应；所述碳热还原反应的时间优选为60～180min，进一步优选为100～180min，更优选为120～180min。在本发明中，所述反应温度发生氧化铝的碳热还原反应，其具体方程式如下：al2o3+3c→2al(g)+3co。在本发明中，所有反应都是在真空(100～500pa)下进行，有助于避免氧气等气体的影响，进而降低氧化几率，提高金属铝的纯度。

所述碳热还原反应中，本发明在保护气流的作用下，使生成的气态铝在收集仓中富集，得到液态金属铝。在本发明中，所述反应仓和收集仓通过管道连通。本发明反应仓和冷凝仓是连通的，通气是持续进行的，并且带有真空泵，通气的同时，是通过真空泵来控制系统的压力保持在所需值。

本发明优选通过调节保护气体的流量、通气的位置及流向将产生的气态的金属铝控制在收集仓富集，从而得到金属铝。在本发明中，所述反应仓和收集仓通过管道连通，保护性气体的通入口位于反应仓，在保护性气体持续通入过程中，保护性气体会不断进入收集仓，生成的气态铝伴随保护性气流进行收集仓中；当收集仓位于反应仓的下部时，更有助于保护性气体的流通，进而确保生成的气态铝充分富集在收集仓中，能够有效避免气态铝的氧化和碳热还原过程低价氧化铝气体的生成，从而提高金属铝的直收率和纯度。在本发明中，所述气态铝在收集仓富集的同时发生形核，得到液态金属铝。

得到液态金属铝后，本发明优选将所述液体金属铝进行降温处理，得到固态金属铝。本发明对所述降温的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的降温方式即可。在本发明的实施例中，具体采用在富集仓内自然冷却的方式实现降温处理。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在以下实施例中，反应仓内压强结合真空泵进行控制，该真空泵的抽气孔与反应仓的距离相距10～20cm；保护性气体的不断通入反应仓内压强不断提高，待达到目标压强后，真空泵不断抽气，使得气体不断排出，使得反应仓内压强在目标压强范围内，该通入的是惰性气体，不参加碳热还原反应，起到稀释产物气体的作用，而同时真空泵在抽气，产物气体排出，从而保证了碳热还原反应在较低的真空度下进行，便于多余保护性气体的排出，同时避免气态铝被直接抽走。

实施例1:

将氧化铝粉(粒径在50目以下)与焦炭粉(粒径在50目以下)按照质量比为7：3进行配比，加入质量为氧化铝粉和碳粉总质量1/8的水，混合均匀，在5mpa的压力下进行压坯；

将压坯放入石墨坩埚中，关闭真空炉，真空炉下侧与收集仓通过管道连通；抽取真空当炉内压强为5pa时开始加热，将物料以升温速率为5℃/分钟加热至800℃，然后通入氩气，同时结合真空泵的控制作用，将炉内压强控制在100pa左右，氩气的流量为2l/分钟，氮气的进气口在物料的正上方15cm左右，接着将以同样的升温速率将物料从800℃加热到1650℃并保温60分钟从而在氩气气流的作用下，气态铝在收集仓内富集得到液态的金属铝。

液体的金属铝在反应仓内自然降温，待冷却得到固态金属铝后，再打开反应仓收集固态金属铝。

对富集物的组分进行检测，可得铝的直收率为98.5％左右；富集物的xrd图如下图2。

实施例2:

将氧化铝(粒径在50～150目)与石油焦粉(粒径在50目以下)按照质量比为7：4进行配比，加入质量为氧化铝粉和碳粉总质量1/9的水，混合均匀，在6mpa的压力下进行压坯；

将压坯放入石墨坩埚中，关闭真空炉，真空炉下侧与收集仓通过管道连通；抽取真空当炉内压强为7pa时开始加热，将物料以升温速率为10℃/分钟加热至800℃然后通入氩气将炉内压强控制在300pa左右，氩气的流量为4l/分钟，氮气的进气口在物料的正上方14cm左右，接着将以同样的升温速率将物料从800℃加热到1600℃并保温100分钟从而在氮气气流的作用下，气态铝在收集仓富集，得到液态的金属铝。

液体的金属铝在反应仓内自然降温，待冷却得到固态金属铝后，再打开反应仓收集固态金属铝。

对富集物的组分进行检测，可得铝的直收率为98％；富集物的xrd图如下图3。

实施例3:

将氧化铝粉(粒径在50目以下)与焦煤粉(粒径在50目以下)按照质量比为7：5进行配比，加入质量为氧化铝粉和碳粉总质量1/10的水，混合均匀，在7mpa的压力下进行压坯；

将压坯放入石墨坩埚中，关闭真空炉，真空炉下侧与收集仓通过管道连通，抽取真空当炉内压强为10pa时开始加热，将物料以升温速率为10℃/分钟加热至800℃然后通入氩气将炉内压强控制在500pa左右，氩气的流量为5.2l/分钟，氮气的进气口在物料的正上方16cm左右，接着将以同样的升温速率将物料从800℃加热到1550℃并保温180分钟从而在氩气气流的作用下，气态铝在收集仓内富集，得到液态的金属铝。

液体的金属铝在反应仓内自然降温，待冷却得到固态金属铝后，再打开反应仓收集固态金属铝。

对富集物的组分进行检测，可得铝的直收率为99％；富集物的xrd图如下图4。

由图2～4可知，本发明得到的富集物中，检测到铝，未有其他物质的xrd检测图谱，可见纯度较高。

本发明通过真空下进行碳热还原反应及产物的收集，同时通过保护气氛压力及进气位置的调节，可有效控制生成的气态铝的在高温区的形核和富集，避免低温冷凝过程气态铝的氧化，以及碳热还原过程低价氧化铝气体的生成，提高了金属铝的直收率和纯度，进而降低了能耗。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。