[发明专利]一种氮化铝氯化还原制备金属铝的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化铝氯化还原制备金属铝的方法，属于真空冶金技术领域。

背景技术

铝是地壳中含量最丰富的金属元素，含量8.3%。铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，其蕴藏量在金属中居第2位。铝是活泼金属，在干燥空气中铝的表面立即形成厚约50埃（1埃=0.1纳米）的致密氧化膜，使铝不会进一步氧化并能耐水；物质的用途在很大程度上取决于物质的性质。因为铝有多种优良性能，所以铝有着极为广泛的用途。

铝及铝合金是当前用途十分广泛的、最经济适用的材料之一。世界铝产量从1956年开始超过铜产量一直居有色金属之首。当前铝的产量和用量（按吨计算）仅次于钢材，成为人类应用的第二大金属；而且铝的资源十分丰富，据初步计算，铝的矿藏储存量约占地壳构成物质的8%以上。铝合金广泛应用于飞机、汽车、火车、船舶等制造工业。此外，宇宙火箭、航天飞机、人造卫星也使用大量的铝及其铝合金。铝在电器制造工业、电线电缆工业和无线电工业中有广泛的用途。铝箔广泛用于包装香烟、糖果等，还可制成铝丝、铝条，并能轧制各种铝制品。铝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。铝粉具有银白色光泽常用来做涂料等。

世界上所有的铝都是用电解法生产出来的。铝电解工业生产采用霍尔-埃鲁冰晶石-氧化铝融盐电解法，即以冰晶石为主的氟化盐作为熔剂，氧化铝为熔质组成多相电解质体系。其中Na₂AlF₆-Al₂O₃二元系和Na₃AlF₆-AlF₃-Al₂O₃三元系是工业电解质的基础。电解铝工业对环境影响较大，属于高耗能，高污染行业。电解铝生产中排出的废气主要是CO₂，以及以HF气体为主的气-固氟化物等。CO₂是一种温室气体，是造成全球气候变暖的主要原因。而氟化物中的CF₄和C₂F₆其温室作用效果是二氧化碳的6500-10000倍，并且会对臭氧层造成不同程度的影响。

在铝冶炼新方法的研究上，国内外主要围绕电热法、高炉炼铝法、离子液体电解法、直接碳热还原法以及氧化铝碳热还原卤化歧化法等方面开展工作，此外，还有一些研究者就采用氢气还原氧化铝或是AlCl₃来制备金属铝开展过一些研究。碳热还原法因其流程短、节能而一直受到关注，美国美铝公司及瑞士苏黎世联邦理工学院近年来一直对该方法进行持续研究，但氧化铝直接碳热还原反应中，反应生成的金属铝与铝土矿中的杂质及生成的碳化铝、碳氧铝等物质混在一起难于分离这一问题一直制约着该方法的推广应用。而氧化铝碳热还原氯化歧化法是昆明理工大学真空冶金国家工程实验室在长期对有色金属的真空还原研究工作的基础上，针对低价氯化铝歧化反应的特点，提出的氧化铝低压下碳热还原-卤化歧化法制备金属铝的思路，并取得了阶段性进展。该方法的原理在于：高温低压下氧化铝在碳的存在下可与AlCl₃进行反应，生成挥发性的AlCl，AlCl在约700℃、60Pa下分解为金属铝和AlCl₃，得到金属铝，其中AlCl₃可回收后重复利用，反应如下：

         (1-1)

                    (1-2)

该方法有效解决了氧化铝直接碳热还原反应中，反应生成的金属铝与铝土矿中的杂质及生成的碳化铝、碳氧铝等物质混在一起难于分离的问题。

本发明与戴永年等研究相同的是都采用碳作为还原剂，但存在的许多关键不同点，其一，本发明采用碳还原时，添加了氮气，将氧化铝转变为氮化铝；其二，操作条件也有较大差别，碳热氮化反应采用了相对高的反应温度；其三，本发明中氯化过程的对象为氮化铝，最终得到结晶良好的金属铝。总之，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

针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种氮化铝氯化还原制备金属铝的方法。本发明以氧化铝为提取金属铝的原料，碳为还原剂，通入氮气，通过碳热还原氮化过程使氧化铝转变成氮化铝，氮化铝在压力10^-2Pa～30Pa、1300℃～1700℃条件下经氯化歧化冷凝后制得结晶良好的固体金属铝，降低金属铝的生产成本，本发明通过以下技术方案实现。