本文对铝冶金工业的现状以及炼铝新工艺的研究现状等方面进行了综和评述,系统地研究了氧化铝真空碳热还原-氯化过程的一系列问题,如氧化铝真空碳热还原热力学、氧化铝低温碳热还原反应机理和氧化铝碳热还原产物的氯化等。氧化铝真空碳热还原过程热力学分析表明：在氧化铝真空碳热还原过程中,当温度为1623K、系统压力为10Pa时,A1203与C反应可以生成气相产物Al(g)和A120(g),当温度为1773K、系统压力为30Pa时,此反应也可以进行。在1623K、10Pa和1773K、30Pa两种实验条件下,Al(g)或Al2O(g)与CO(g)或者Al(g)或A120(g)与C都可以进行反应。温度升高不利于Al(g)或Al2O(g)与CO(g)之间的反应进行,Al(g)或A120(g)与CO(g)的反应趋向于在较低温度区内进行,反应产物Al4O4C和Al4C3应该主要分布在反应坩埚上部区域。根据低温1623K和高温1773K两种实验条件下坩埚内温度的大致分布,Al4O4C与C之间的反应只可以在坩埚中下部区域进行。在1573K、50Pa实验条件下,Al4C3和Al4O4C的氯化反应可以进行。由氧化铝真空碳热还原机理研究结果可知,在1623K、5-30压强条件下,氧化铝真空碳热还原过程中生成金属铝,金属铝是气相产物Al(g)或Al2O(g)在低温冷凝区冷凝或歧化分解形成的,CO分压大小是冷凝塔是否有金属铝生成决定因素。还原反应生成的挥发物绝大部分都分布在冷凝塔底部,Al4O4C和Al4C3是还原产物的主要物相,是Al(g)或A120(g)与CO之间气-气反应的结果。在冷凝塔底部主要进行的是Al(g)或Al2O(g)与CO之间气-气反应,而在冷凝塔内部主要是Al(g)的冷凝和Al2O(g)的歧化分解反应,CO的分布是导致这种差异的根本原因。还原产物Al404C、A14C3是通过两步反应生成的,首先Al2O3和C反应生成气相产物,然后气相产物再与CO反应牛成Al4O4C和Al4C3,此过程中CO充当氧化剂作用。Al2O3和C之间的初步反应是固-固反应,Al2O3和C能否有效接触是决定反应能否进行的关键。在C充分存在条件下,Al4O4C与C的反应容易进行,Al4O4C被进一步还原成Al4C3,Al4C3是氧化铝碳热还原的最终产物。氧化铝真空碳热还原-氯化歧化法制备金属铝工艺中,氯化反应过程主要是Al4C3和Al4O4C的氯化反应。在1573K,系统压力为5-50Pa条件下,Al4C3会与AlCl3反应生成AlCl和C,反应生成的C会把未反应的Al4C3包裹起来,从而导致未反应Al4C3与AICl3不能有效接触,阻碍了Al4C3氯化反应的进一步进行。AlCl在低温的冷凝塔内歧化分解生成金属铝和AlCl3,气相AlCl3在水冷顶盖上凝结,金属铝在冷凝塔冷凝且不含杂质。Al4O4C与AICl3发生反应生成AlCl、Al2O3和CO,反应生成的Al2O3会覆盖在未反应还原产物表面阻碍氯化反应的进一步进行。Al4C3和Al4O4C的氯化反应都是气-固反应,能否实现气相AlCl3与固相还原产物Al4C3和Al4O4C充分有效接触是提高金属铝直收率的控制环节。对实验参数研究的结果显示氧化铝真空碳热还原过程中,Al2O3和C之间固-固相反应是其控制步骤,滚筒混料有利于氧化铝真空碳热还原反应进行。在配料比(质量比)Al2O3：C=3、滚筒混料条件下,氧化铝真空碳热还原过程的实验参数选取温度1693～1723K、还原时间90min.氧化铝碳热还原产物作为原料,炉内温度为1573K时氯化反应时间选取60min。氧化铝真空碳热还原-氯化歧化法制备铝工艺采用氧化铝真空碳热还原和真空氯化两过程分离的两段分离式制备比一段连续式制备更合理,杜绝了冷凝塔中金属铝的碳化现象,而且真空氯化过程的温度可以大大降低至1573K。
