綜述了目前氧化鋁碳熱還原法及碳熱還原- 鹵化法煉鋁的研究進展, 重點總結(jié)了上述煉鋁法的機理及研究現(xiàn)狀,討論了金屬鋁的制備方法及其影響因素, 并指出了制約上述各煉鋁法金屬鋁直收率提高的影響因素。結(jié)果表明: 常壓及真空直接碳熱還原法煉鋁過程, 由于氧化鋁碳熱還原過程生成的碳化鋁, 導(dǎo)致碳化鋁、氧化鋁和金屬鋁三元系在高溫下相互熔解,以致氣相不能分離, 致使鋁的提取率較低, 且難以與渣相分離。真空碳熱還原- 硫化法煉鋁存在低價硫化鋁歧解得到的產(chǎn)物金屬鋁與硫化鋁( Al2S3) 的分離困難, 且硫化鋁易吸水潮解, 生成劇毒物質(zhì)H2S, 造成環(huán)境污染; 真空碳熱還原- 氯化法煉鋁, 雖產(chǎn)物金屬鋁與冷凝物氯化鋁易于分離, 但該法存在氯化鋁對設(shè)備的腐蝕及含六個結(jié)晶水的氯化鋁脫水處理問題, 若能克服上述問題, 則該過程就存在連續(xù)化作業(yè)的可能; 而真空碳熱還原- 氟化法煉鋁過程存在機理研究不清及爐型結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理, 從而導(dǎo)致產(chǎn)物金屬鋁的直收率不高。

　　鋁是世界上僅次于鋼鐵的第二重要金屬, 在國民經(jīng)濟發(fā)展中具有不可替代的重要作用 。在地殼中分布最廣、儲量最豐富, 其平均含量約為7􀀁45% , 僅次于氧和硅, 位居第三, 按金屬而言, 鋁居首位 。然而, 含量如此豐富的鋁的價格卻一直居高不下, 其儲量與價格的反差太大, 其原因在于: 目前現(xiàn)行的冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法煉鋁工藝過程存在電能消耗大( 電能耗平均每噸在( 1.3 ~ 1.5) X 10⁵ kW.h) ; 能量利用效率低, 不到50% ; 工序繁多, 設(shè)備復(fù)雜, 單槽產(chǎn)量低, 噸鋁成本高等, 而且目前又沒有找到一種更為廉價的產(chǎn)鋁方法。在目前的經(jīng)濟大環(huán)境下, 鋁工業(yè)將長期承受價格、原料供應(yīng)和市場需求的壓力, 提高抗風(fēng)險能力, 最根本就是降低生產(chǎn)成本。

　　只有依靠科技進步, 才是有效降低成本和提高抗風(fēng)險能力, 保持鋁工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的根本出路 。為了解決鋁工業(yè)發(fā)展的瓶頸, 在最近數(shù)十年內(nèi), 人們從未放棄其他煉鋁新方法的研究, 其中主要有常壓碳熱還原法、真空碳熱還原法( 包括直接碳熱還原法、真空碳熱還原-硫化法以及真空碳熱還原-鹵化法) 、離子液體電沉積法等 。

　　本文綜述了目前國內(nèi)外常壓碳熱還原法和真空碳熱還原法煉鋁的研究現(xiàn)狀, 重點總結(jié)了上述煉鋁法的發(fā)生機理, 分析了煉鋁過程中存在的問題, 并提出了幾條解決該問題的建議。

1、 常壓碳熱還原法煉鋁

　　在過去的100 多年里, 多數(shù)學(xué)者開展了常壓下使用廉價碳質(zhì)還原劑進行金屬鋁冶煉的研究。據(jù)美國鋁業(yè)公司研究指出 , 常壓碳熱法煉鋁噸鋁所需的電能與碳質(zhì)消耗量等均低于埃爾-霍魯特法。通常其能耗約為0.121 GJ/ kg 鋁, 僅為電解法煉鋁能耗的2/3, 而溫室氣體的排放量比電解法低30% 。然而, 氧化鋁常壓碳熱還原法煉鋁通常在2000度以上進行, Al2O3-C 二元體系反應(yīng)復(fù)雜, 該二元系隨著溫度的升高而逐漸生成鋁氧化合物、鋁碳化合物及鋁氧碳化合物等物質(zhì)。因此, 國內(nèi)外學(xué)者對該法煉鋁過程存在兩步法與三步法的學(xué)說。

　　從圖8 和表3 的分析結(jié)果可以看出, 該金屬鋁存在二次氧化現(xiàn)象, 這是因為歧解得到的金屬鋁與爐內(nèi)的CO 氣體再次反應(yīng)而生成的 ; 該金屬鋁表面粘附的粉狀物為氟化物的混合物, 作者認為是歧化分解反應(yīng)分解出的金屬鋁與氟化鋁是同時進行,由于該歧解產(chǎn)物氟化鋁并不像碳熱還原-氯化過程的低價氯化鋁的歧解產(chǎn)物三氯化鋁先是氣態(tài)而后才冷凝為固態(tài)的三氯化鋁, 歧解生成的氟化鋁在冷凝區(qū)的溫度條件下只以有固態(tài)形式存在, 從而將金屬鋁包裹, 使得金屬鋁與氟化鋁無法自動分離, 導(dǎo)致最終產(chǎn)物金屬鋁的純度不高。

　　從工藝過程來看, 應(yīng)用氟化鋁比應(yīng)用氯化鋁有如下幾種優(yōu)點: 􀀁 氟化鋁不水解, 不腐蝕設(shè)備, 從而有利于真空設(shè)備的維護;  低價氟化鋁歧化分解后,鋁被包裹于氟化鋁粉末中, 因而最終產(chǎn)物金屬鋁不易被容器所污染。但碳熱還原-氯化法有一個就目前看來應(yīng)用氟化鋁法所不能達到的優(yōu)點, 即低價氯化鋁歧解產(chǎn)生的氯化鋁為氣體, 因此, 使用該法煉鋁更易實現(xiàn)過程的連續(xù)化。然而, 從目前研究結(jié)果來看, 金屬鋁的直收率不高, 這是因為: 其一, 機理研究不清所導(dǎo)致, 據(jù)碳熱還原-氯化法煉鋁的機理研究指出, 該過程主要是Al4C3 與Al4O4C 參與碳熱-氯化反應(yīng), 那么碳熱-氟化反應(yīng)也可能是Al4C3 與Al4O4C 所參與, 因此碳熱還原過程需保溫, 用以增加Al4C3 與Al4O4C 的產(chǎn)量; 其二, 爐型結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理所導(dǎo)致, 這是因為氟化鋁升華靠的是高溫區(qū)域熱量的輻射或石墨坩堝的導(dǎo)熱,在高溫區(qū)達到碳熱-氟化反應(yīng)之前, 氟化鋁早已達到其升華溫度而成氣態(tài)氟化鋁, 該氣態(tài)氟化鋁隨系統(tǒng)抽真空方向被抽走, 使得參與碳熱-氟化過程的氟化鋁氣體量不足, 導(dǎo)致生成的低價氟化鋁的量減少, 從而致使最終產(chǎn)物金屬鋁的直收率不高。因此, 要想提高該法煉鋁金屬鋁的直收率, 需參考碳熱-氯化法煉鋁的機理及其真空爐的設(shè)計, 首先碳熱還原過程需保溫, 其次應(yīng)單獨設(shè)置氟化鋁的升華區(qū), 采用分段加熱, 即分別對高溫碳熱-氟化區(qū)與氟化鋁升華區(qū)加熱, 從而能精確控制各區(qū)域溫度, 既而達到準確控制各區(qū)域的反應(yīng)的目的。

4、結(jié)論與展望

　　(1) 常壓及真空直接碳熱還原法煉鋁過程具有理論能耗與溫室氣體排放均低于傳統(tǒng)煉鋁法的優(yōu)勢, 但由于該過程生成了碳化鋁, 導(dǎo)致碳化鋁、氧化鋁和金屬鋁三元系在高溫下相互熔解, 以致氣相不能分離, 致使鋁的提取率較低, 且難以與渣相分離。然而, 由于該工藝的總成本仍高于電解法煉鋁, 致使該工藝目前仍停留在熔煉合金上。

　　(2) 真空碳熱還原-硫化法煉鋁存在低價硫化鋁歧解得到的產(chǎn)物金屬鋁與硫化鋁Al2S3 的分離困難, 且硫化鋁Al2S3 易吸水潮解, 生成劇毒物質(zhì)H2S,造成環(huán)境污染; 真空碳熱還原-氯化法煉鋁, 雖產(chǎn)物金屬鋁易于與冷凝物氯化鋁分離, 但該法存在氯化鋁對設(shè)備的腐蝕及含六個結(jié)晶水的氯化鋁脫水處理問題, 若能克服上述問題, 則該過程就存在連續(xù)化作業(yè)的可能; 而真空碳熱還原-氟化法煉鋁過程存在機理研究不清及爐型結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理, 從而導(dǎo)致該法煉鋁金屬鋁的直收率不高。

　　(3) 電解法煉鋁成本高, 流程長, 而使用真空碳熱還原-鹵化法煉鋁具有流程短、原料品位要求低,不要求使用高純氧化鋁, 可直接以鋁土礦為原料進行金屬鋁的提取, 且在真空條件下進行, 金屬鋁還原溫度低。在解決真空碳熱還原-鹵化法煉鋁過程中所存在的問題的前提下, 該法不僅可降低金屬鋁冶煉的生產(chǎn)成本, 還可將該法應(yīng)用于富含氧化鋁的貴金屬礦的處理, 使貴金屬在渣相中得到富集。