一种用氧化铝碳热氮化真空热分解制备金属铝的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种用氧化侣碳热氮化真空热分解制备金属侣的方法，属于真空冶金
技术领域。
【背景技术】
[0002] 侣是地壳中含量最多的金属元素，含量约为8.0%。侣元素在地壳中的含量居第S 位，其使用量在金属中居第二位，仅次于钢铁。而自然界中存在的是侣的化合物，单质侣在 自然界中是不存在的。由于侣在干燥空气中极易与氧气形成致密氧化膜，形成氧化侣使内 层不被继续氧化；物质的用途在很大程度上取决于物质的性质。因为侣有多种优良性能，所 W侣有着较为广泛的用途。
[0003] 侣及侣合金是当前用途较为广泛、最经济适用的材料之一。侣具有强度低、塑性好 的优点，侣广泛应用于电导材料、电线电缆工业、和无线电工业中。侣合金广泛应用于飞机、 汽车、火车、船舶等制造工业等。同时侣也极易形成各种侣制品，并广泛用于包装香烟、糖果 等。侣的表面因有致密的氧化物保护膜，不易受到腐蚀，常被用来制造化学反应器、医疗器 械、冷冻装置、石油精炼装置、石油和天然气管道等。
[0004] 目前，世界上所有的侣都是由电解法从氧化侣中提取出来的。侣电解工业采用霍 尔-埃鲁冰晶石-氧化侣融盐电解法，即W冰晶石为主的氣化盐作为烙剂，氧化侣为烙质组 成多相电解质体系。而该侣电解过程需要消耗大量资源，排放大量的温室气体和全氣碳化 物有毒气体（PFCs)。
[0005] 在侣冶炼新方法的研究上，国内外主要围绕高炉炼侣法、离子液体电解法、直接 碳热还原法W及间接碳热还原法(氯化法、氮化法）等方面开展工作。由氮化侣提取金属 侣的研究主要集中于电解法，理论上，在700°C时氮化侣分解为侣和氮，氮化侣的理论分 解电压为0. 75V。此分解电压比AlClsU)，AlsSsk)和Al2〇3(s)在相同的温度下分解电 压要低。从热力学的观点来看，电解具有良好的潜力，可用于从氮化侣中提取侣。但面 临的主要挑战之一是很难找到一种适当的电解质溶解非常稳定的AlN(s)。Bonomi等人 对660-700°C(LisN-LiCl)电解液的溶解度和A1N的烙盐电解进行了有限的研究。该个 系统的电流效率为83%，阴极电流密度约1.5A/cm2。最终结果表明此过程没有成功。Goto 等人使用LiCl-KCl-LisN烙盐体系在侣基板上沉积A1N薄膜。Yan等人在1133k温度 下化Cl2_NaCl烙体中进行了直接电化学还原氮化侣实验，最后在阴极板上观察到纯侣液 滴，但是该个实验过程只有3-5%的产量。西安电子科技大学技术物理学院和西北工业大 学超高温结构复合材料国防科技重点实验室基于高温真空下氮化侣材料的稳定性研究， 对A1N进行热力学行为分析并得出在标准状态下A1N的分解温度为2708K，在真空度为 1〇-1化、1〇-2化、1〇-3化时，A1N的热分解温度分别为1556K、1454K、1365K，A1N的稳定性随 着真空度的上升而下降。Dewan等人通过热力学计算得出在压强降到0.IWa时，氮化侣的 热分解反应温度可W降到1700°C。 本发明申请为昆明理工大学真空冶金国家工程实验室长期从事有色金属的真空冶 金研究工作，针对氮化侣热分解反应的特点，提出的氧化侣高温真空碳热氮化制备氮化侣 (1850-2050K、5-60Pa)热分解制备金属侣的思路，并制备得到了金属侣。该方法有效克服 了电解法制备侣的过程能量消耗大和不易找到合适电极材料的的缺点，为制备侣提出了一 种新的方法。该方法的原理在于；在高温真空条件下由氧化侣碳热氮化制备氮化侣，进而由 氮化侣高温真空热分解反应制备金属侣，A1N在约1850~2050K、5-60化下分解为金属侣和 N2(g)，反应如下； 2AlN{g) =2*4/(g) +N2(：g) (1850~2050K、5~60Pa) 本发明具有生产原料廉价、易得，工艺流程短，操作简单等特点。
【发明内容】
[0006] 针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种用氧化侣碳热氮化真空热 分解制备金属侣的方法。本发明W氧化侣为提取金属侣的原料，碳为还原剂，通入氮气，通 过碳热还原氮化过程使氧化侣转变成氮化侣，氮化侣在真空系统的压力为5~60化的真空 炉中，在温度为1850-2050K的条件下热分解制得结晶良好的固体金属侣，降低金属侣的生 产成本，本发明通过W下技术方案实现。
[0007] 一种用氧化侣碳热氮化真空热分解制备金属侣的方法，其具体步骤如下： 步骤1、首先将向氧化侣中加入氧化侣摩尔量3~6倍的碳，然后混合均匀得到混合物 料，将混合物料WlOMPa~50MPa压力压制成块状，在通入氮气、压力为10化~50化、温度 1300~1700°C的条件下还原得到氮化侣巧日（a)所示）； AI2O3(S) +3C(S) +馬（g) =2A1N(S) +3C0 (g) (a) 步骤2、将步骤1得到的氮化侣在压力为5~60化、温度为1850~2050K的条件下进 行热分解反应20~60min巧日（b)所示)，然后冷却至室温，在冷凝器上收集得到结晶良好 的金属侣。
[000引 2JW喊二2A!(封 +N2(g) (b) 所述步骤1中碳为粒度小于0. 5mm的碳粉。
[0009] 本发明的有益效果是：本发明流程简单，便于操作，原料价格低廉、易得，过程中无 需加入任何其他添加剂W及煤燃料等。
【附图说明】
[0010] 图1是本发明工艺流程图； 图2是本发明实施例1真空热分解得到的金属侣的XRD图。
【具体实施方式】
[0011] 下面结合附图和【具体实施方式】，对本发明作进一步说明。
[001引实施例1 如图1所示，该用氧化侣碳热氮化真空热分解制备金属侣的方法，其具体步骤如下： 步骤1、首先将向Imol氧化侣（102g)中加入氧化侣摩尔量4倍的碳（4mol，48g)，然后 混合均匀得到混合物料，将混合物料W30MI^a压力压制成块状，在通入25g/h氮气、压力为 50Pa、温度1700°C的条件下还原化得到氮化侣巧日（a)所示）；其中碳为粒度小于0. 5mm的 碳粉； AI2O3(S) +3C(S) +馬（g) =2A1N(S) +3CO(g) (a) 步骤2、将步骤1得到的3mol氮化侣（123g)在压力为60化、温度为2050K的条件下进 行热分解反应20min巧日（b)所示)，然后冷却至室温，在冷凝器上收集得到结晶良好的金属 侣。
[0013] 2AlN{g)=2Al{g)+Ns(g) (b) 制备得到的金属侣XRD图谱如图2所示，其纯度〉95wt. %。
[0014] 实施例2 如图1所示，该用氧化侣碳热氮化真空热分解制备金属侣的方法，其具体步骤如下： 步骤1、首先将向Imol氧化侣（102g)中加入氧化侣摩尔量5倍的碳（5mol，60g)，然后 混合均匀得到混合物料，将混合物料W20MI^a压力压制成块状，在通入15g/h氮气、压力为 lOPa、温度1600°C的条件下还原化得到氮化侣巧日（a)所示）；其中碳为粒度小于0. 5mm的 碳粉； AI2O3(S) +3C(S) +馬（g) =2A1N(S) +3C0 (g) (a) 步骤2、将步骤1得到的2mol氮化侣（82g)在压力为40化、温度为2000K的条件下进 行热分解反应30min巧日（b)所示)，然后冷却至室温，在冷凝器上收集得到结晶良好的金属 侣。
[00巧]2差V(.幻=2述(幻+化(客) (b) 制备得到的金属侣其纯度〉98wt. %。
[0016] 实施例3 如图1所示，该用氧化侣碳热氮化真空热分解制备金属侣的方法，其具体步骤如下： 步骤1、首先将向Imol氧化侣（102g)中加入氧化侣摩尔量6倍的碳（6mol，72g)，然后 混合均匀得到混合物料，将混合物料W40MI^a压力压制成块状，在通入20g/h氮气、压力为 30Pa、温度1600°C的条件下还原化得到氮化侣巧日（a)所示）；其中碳为粒度小于0. 5mm的 碳粉； AI2O3(S) +3C(S) +馬（g) =2A1N(S) +3C0 (g) (a) 步骤2、将步骤1得到的0. 5mol氮化侣（20. 5g)在压力为20化、温度为1950K的条件 下进行热分解反应40min巧日（b)所示)，然后冷却至室温，在冷凝器上收集得到结晶良好的 金属侣。
[0017] 2AlN{g)= 2J/(g) + Na(g) (b) 制备得到的金属侣其纯度〉92wt. %。
[0018] 实施例4 如图1所示，该用氧化侣碳热氮化真空热分解制备金属侣的方法，其具体步骤如下： 步骤1、首先将向Imol氧化侣（102g)中加入氧化侣摩尔量3倍的碳（3mol，48g)，然后 混合均匀得到混合物料，将混合物料WSOMI^a压力压制成块状，在通入20g/h氮气、压力为 20Pa、温度1300°C的条件下还原化得到氮化侣巧日（a)所示）；其中碳为粒度小于0. 5mm的 碳粉； Al2〇3(s) +3C(s) +馬（g) =2A1N(s) +3C0 (g) (a) 步骤2、将步骤1得到的Imol氮化侣（41g)在压力为10化、温度为1900K的条件下进 行热分解反应50min巧日（b)所示)，然后冷却至室温，在冷凝器上收集得到结晶良好的金属 侣。
[0019] 2AlN(g)= 2Ji(g)+N2(g) (b) 制备得到的金属侣其纯度〉95wt. %。
[0020] 实施例5 如图1所示，该用氧化侣碳热氮化真空热分解制备金属侣的方法，其具体步骤如下： 步骤1、首先将向Imol氧化侣（102g)中加入氧化侣摩尔量4倍的碳（4mol，64g)，然后 混合均匀得到混合物料，将混合物料W 压力压制成块状，在通入20g/h氮气、压力为 30Pa、温度1500°C的条件下还原化得到氮化侣巧日（a)所示）；其中碳为粒度小于0. 5mm的 碳粉； AI2O3(S) +3C(S) +馬（g) =2A1N(S) +3C0 (g) (a) 步骤2、将步骤1得到的1. 5mol氮化侣（61. 5g)在压力为20化、温度为1850K的条件 下进行热分解反应60min巧日（b)所示)，然后冷却至室温，在冷凝器上收集得到结晶良好的 金属侣。
[0021] 2-4册(幻=2-4/(.弓)+化(夏) (b) 制备得到的金属侣其纯度〉92wt. %。
[0022] W上结合附图对本发明的【具体实施方式】作了详细说明，但是本发明并不限于上述 实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可W在不脱离本发明宗旨的前 提下作出各种变化。
【主权项】
1. 一种用氧化铝碳热氮化真空热分解制备金属铝的方法，其特征在于具体步骤如下： 步骤1、首先将向氧化铝中加入氧化铝摩尔量3~6倍的碳，然后混合均匀得到混合物 料，将混合物料以IOMPa~50MPa压力压制成块状，在通入氮气、压力为IOPa~50Pa、温度 1300~1700°C的条件下还原得到氮化铝； 步骤2、将步骤1得到的氮化铝在压力为5~60Pa、温度为1850~2050K的条件下进 行热分解反应20~60min，然后冷却至室温，在冷凝器上收集得到结晶良好的金属铝。2. 根据权利要求1所述的用氧化铝碳热氮化真空热分解制备金属铝的方法，其特征在 于：所述步骤1中碳为粒度小于〇. 5mm的碳粉。
【专利摘要】本发明涉及一种用氧化铝碳热氮化真空热分解制备金属铝的方法，属于真空冶金技术领域。首先将向氧化铝中加入碳，然后混合均匀得到混合物料，将混合物料压制成块状，在通入氮气、压力为10Pa～50Pa、温度1300～1700℃的条件下还原得到氮化铝；将得到的氮化铝在压力为5～60Pa、温度为1850～2050K的条件下进行热分解反应20～60min，然后冷却至室温，在冷凝器上收集得到结晶良好的金属铝。本发明流程简单，便于操作，原料价格低廉、易得。
【IPC分类】C22B21/00
【公开号】CN104988335
【申请号】CN201510334601
【发明人】陈秀敏, 王家驹, 卢勇, 杨斌, 郁青春, 马文会, 刘大春, 徐宝强, 戴永年, 蒋文龙, 龙萍, 王飞, 吴鉴, 邓勇, 曲涛, 熊恒, 李一夫, 周晓奎, 姚耀春, 谢克强, 伍继君
【申请人】昆明理工大学
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年6月17日