真空金屬熱還原制取金屬鋰的實驗研究.pdf

1、金屬鋰廣泛應用于輕質合金、航空航天、能源電池和熱核聚變等領域，被稱為“21世紀的能源金屬”。近年來全球金屬鋰的需求量增長迅猛，特別是我國金屬鋰的生產規(guī)模急需擴大。目前，金屬鋰主要有兩種生產方法，分別是熔鹽電解法和真空熱還原法，前者受到原料成本高、生產過程產生氯氣污染環(huán)境、產品中鉀鈉含量較高的制約，而后者具有流程短、成本低、生產過程無有害氣體生成的優(yōu)點，是一種具有廣闊前景的方法。本文在系統(tǒng)研究碳酸鋰熱分解過程，以硅鐵、一次鋁硅鐵合金和鋁粉

2、為還原劑制取金屬鋰的基礎上，設計并建成新型內電阻加熱煉鋰爐，進行了工業(yè)規(guī)模的硅熱法煉鋰試驗。
　　論文首先應用冶金熱力學基本原理，計算了碳酸鋰在常壓、真空以及添加氧化鋁條件下的分解溫度，探討了硅和鋁還原氧化鋰的基本規(guī)律，通過添加活性氧化鈣和降低系統(tǒng)壓強均可降低反應起始溫度。通過對Na、K、Mg等主要雜質的蒸氣壓進行分析比較，得出在金屬鋰的冷凝過程中可將有害雜質與鋰分區(qū)冷凝。
　　在碳酸鋰熱分解時，通過采用添加氧化鈣、氧化鋁的

3、方法來抑制碳酸鋰的揮發(fā)。在以氧化鈣為添加劑的實驗中研究了氧化鈣與碳酸鋰的配比、煅燒溫度和時間對碳酸鋰熱分解過程的影響，通過正交實驗確定了碳酸鋰熱分解的最佳工藝條件為:碳酸鋰與氧化鈣摩爾比為1∶2，煅燒溫度1173K，時間100min，制團壓力30MPa，真空度4Pa。在上述最佳工藝技術條件下可使碳酸鋰的熱分解率達到99.71％，揮發(fā)率為0.29％。
　　在以氧化鈣氧化鋁混合物為添加劑的碳酸鋰熱分解實驗研究中研究了制團壓力、煅燒溫度

4、和時間對碳酸鋰分解率的影響。研究結果表明以氧化鈣和氧化鋁為添加劑的碳酸鋰的最佳熱分解條件為:煅燒溫度1073K、時間120min、制團壓力50MPa。在此工藝技術條件下，碳酸鋰的分解率為98.21％，其煅燒產物的主要成分為LiAlO2和CaO。
　　在以添加氧化鈣制備的氧化鋰熟料為原料，以硅鐵為還原劑的還原實驗研究中，研究了還原溫度、還原時間、制團壓力、物料粒度、還原劑過量系數(shù)對氧化鋰還原率和硅鐵利用率的影響。在單因素實驗基礎上設

5、計了L16(54)正交實驗。確定了在實驗范圍內以硅鐵為還原劑制備金屬鋰的最佳工藝技術條件為:還原溫度1293 K，還原時間180 min，制團壓力30 MPa，物料粒度-80μm，還原劑過量系數(shù)50％。在此工藝技術條件下氧化鋰的還原率平均值為97.83％，金屬鋰的純度可以達到99.24％。還原渣相的主要成分為Ca2SiO4、FeSi、CaO、SiO2。硅熱法煉鋰過程符合固-固相反應動力學模型，還原溫度高于1223K時，還原過程為固體產物

6、層擴散控制。
　　在以添加氧化鈣制備的氧化鋰熟料為原料，以電熱法生產的一次鋁硅鐵合金為還原劑的還原實驗中，研究了還原溫度、還原時間、還原劑過量系數(shù)對氧化鋰還原率的影響。研究得出:在還原溫度1273K，還原時間180 min，還原劑過量系數(shù)30％的條件下，金屬鋰的還原率為97.62％。還原反應剩余的渣料主要成分為Ca2SiO4、12CaO·7Al2O3和3CaO·Al2O3。
　　在以添加氧化鋁氧化鈣混合添加劑制備的氧化鋰熟料

7、為原料，以鋁粉為還原劑的實驗中，考察了還原溫度、還原時間、鋁粉過量率、物料粒度和制團壓力對鋰還原率的影響。在還原溫度1423K、還原時間180min、鋁粉過量20％的條件下，金屬鋰還原率為95.50％，純度為98.64％。該鋁熱法煉鋰過程符合液-固反應動力學模型，在1323～1423K為固體產物層擴散控制。
　　鋁熱真空還原氧化鋰反應后的還原渣主要成分為CaO·Al2O3和12CaO·7Al2O3。采用苛堿和碳堿混合堿液對其進行浸

8、出處理，在碳堿濃度244g/L，苛堿濃度8.89g/L，液固比6∶1，浸出溫度95℃，浸出時間180min的條件下，鋁酸鈣中氧化鋁溶出率為84.89％，還原渣中氧化鋁溶出率可達68.60％。對浸出氧化鋰后的渣進行物相分析后得出，浸出渣中主要的成分是CaCO3。
　　在本文的實驗研究中，設計了單爐產能7.5kg金屬鋰的內電阻加熱真空金屬熱還原煉鋰爐，并進行了以硅鐵為還原劑制取金屬鋰的試驗。工業(yè)規(guī)模的試驗結果表明，以添加氧化鈣制備的氧