真空金屬熱還原制取金屬鋰的實(shí)驗研究.pdf

1、金屬鋰廣泛應(yīng)用于輕質(zhì)合金、航空航天、能源電池和熱核聚變等領(lǐng)域，被稱為“21世紀(jì)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(chǎn)規(guī)模急需擴(kuò)大。目前，金屬鋰主要有兩種生產(chǎn)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(chǎn)過程產(chǎn)生氯氣污染環(huán)境、產(chǎn)品中鉀鈉含量較高的制約，而后者具有流程短、成本低、生產(chǎn)過程無有害氣體生成的優(yōu)點(diǎn)，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(chǔ)上，設(shè)計并建成新型內(nèi)電阻加熱煉鋰爐，進(jìn)行了工業(yè)規(guī)模的硅熱法煉鋰試驗。
　　論文首先應(yīng)用冶金熱力學(xué)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(qiáng)均可降低反應(yīng)起始溫度。通過對Na、K、Mg等主要雜質(zhì)的蒸氣壓進(jìn)行分析比較，得出在金屬鋰的冷凝過程中可將有害雜質(zhì)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(shí)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(shí)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(tuán)壓力30MPa，真空度4Pa。在上述最佳工藝技術(shù)條件下可使碳酸鋰的熱分解率達(dá)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(shí)驗研究中研究了制團(tuán)壓力、煅燒溫度

4、和時間對碳酸鋰分解率的影響。研究結(jié)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(tuán)壓力50MPa。在此工藝技術(shù)條件下，碳酸鋰的分解率為98.21％，其煅燒產(chǎn)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(shí)驗研究中，研究了還原溫度、還原時間、制團(tuán)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(shí)驗基礎(chǔ)上設(shè)

5、計了L16(54)正交實(shí)驗。確定了在實(shí)驗范圍內(nèi)以硅鐵為還原劑制備金屬鋰的最佳工藝技術(shù)條件為:還原溫度1293 K，還原時間180 min，制團(tuán)壓力30 MPa，物料粒度-80μm，還原劑過量系數(shù)50％。在此工藝技術(shù)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(dá)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(yīng)動力學(xué)模型，還原溫度高于1223K時，還原過程為固體產(chǎn)物

6、層擴(kuò)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(chǎn)的一次鋁硅鐵合金為還原劑的還原實(shí)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(yīng)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(shí)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(tuán)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(yīng)動力學(xué)模型，在1323～1423K為固體產(chǎn)物層擴(kuò)散控制。
　　鋁熱真空還原氧化鋰反應(yīng)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(jìn)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(dá)68.60％。對浸出氧化鋰后的渣進(jìn)行物相分析后得出，浸出渣中主要的成分是CaCO3。
　　在本文的實(shí)驗研究中，設(shè)計了單爐產(chǎn)能7.5kg金屬鋰的內(nèi)電阻加熱真空金屬熱還原煉鋰爐，并進(jìn)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(jié)果表明，以添加氧化鈣制備的氧