高原铝技术简介

矿石中的金属以氧化物，硫化物，碳酸盐和其他化合物的形式存在。金属矿石还包含杂质或螺栓材料。亚博网站下载在将金属矿石加工到常用工业用途的金属中 - 钢，铝，镍，铜，钛等人，金属氧化物或其他化合物通过还原过程转换为金属状态，并与凝聚力材料分离之前亚博网站下载或减少后。生产工业金属的两种主要冶金途径是高温耐铝和水透明铝。

载脂技术包括金属矿石的热处理以提取有价值的金属，而水均铝的基于在较低的温度下使用水性化学物质。

钢铝途径用于钢，铝，冶金硅，锰，铬，钛和许多其他金属和合金的商业生产。金属提取的明显能量消耗过程是形成两个不混溶的相 - 熔融金属和主要是金属氧化物相的矿石的还原和冶炼阶段。

将金属氧化物（或其他化合物）转化为纯属金属所需的温度和能量是由反应热力学和动力学定义的。金属氧化物的主要还原剂是碳或炭的形式的碳。反应可以提出金属氧化物MOX的碳热还原：

莫_X+ xc = m + xco（1）

金属M含有溶解的碳和杂质，这些杂质也被部分减少。在还原锰，铬和其他氧化物时，碳化物MC_y形成：

莫_X+（y+ x）c = mc_y+ xco（2）

基于金属氧化物的碳热减少的工业冶金过程是能源密集型的。表1列出了一些工业过程中冶炼/还原炉的能量输入。表1还包括氧化物形成的焓，标准Gibbs自由能变化，用于还原反应，导致CO形成和平衡还原温度。

稳定金属氧化物（例如MNO，CR）的碳热还原₂o₃，Sio₂，tio₂和al₂o₃需要高温。为了具有较高的生产率，工业过程的温度要比表1列出的高得多。^oC;爆炸炉中铁氧化物的减少发生在约1000^oC;铁龙产生的温度高于1700^oC，在硅生产中 - 超过1800^oC。

将二氧化钛降低至碳化钛的碳热将1700-2100进行^oC。

氧化铝的碳热减少所需的高温是铝生产碳热技术开发的主要障碍。铝生产的主要技术是使用Hall-Herault工艺进行电解。

通常，随着远距离反应的量，能量和驱动消耗从平衡温度开始[6]。但是，接近平衡的过程太慢，无法在商业上可行。

但是，可以通过降低温度并改善反应动力学来提高碳热还原过程的效率。这可以通过在惰性大气或氢气中运行还原过程来帮助减少反应，从而通过降低CO的二压压力和/或增加气相中的传质。

表格1：氧化物形成，还原反应，标准吉布斯自由能的变化，平衡温度和能量输入到冶炼/还原炉

氧化物	形成的焓KJ/mol金属[1]	还原反应	标准吉布斯自由能，KJ（使用[1]的数据计算）	平衡温度，oC	能量输入到冶炼/还原炉kJ/mol金属
Mn3o4	-416	mno + 10/7c = 1/7mn7C3+ CO	256.0 - 0.159T	1337	1,614 [2] - 1,240 [3]
Cr2o3	-554	1/2cr2o3+ 13/6c = 1/3Cr3C2+ 3/2CO	359.4 - 0.259T	1113	1,654-1,934 [4]
TIO2	-940	TIO2+ 3c = tic + 2co	371.8 - 0.2541T	1190
al2o3	-842	1/22o3+ 9/4C = 1/4AL4C3+ 3/2CO	599.4– 0.264T	1998	1,264-1,7501）
Sio2（石英）	-906	Sio2+ 3c = SIC + 2CO	604.7 - 0.355T	1430	2,822-3,218 [5]
铁2o3	-406	1/2fe2o3+ 3/2C = Fe + 3/2co	235.3-0.2547t	655	9552） 1,5283）
1）铝是通过使用Hall-Herault工艺进行电解产生的，其能量消耗在13-18 kWh/kg的范围内。 2）可乐消耗500 kg/tonne热金属的喷速炉工艺 3）直接铁冶炼工艺，煤炭消耗800千克/吨热金属

在低温下，氧化物的降低发生在固态。众所周知，固态中金属氧化物的碳热还原是通过气相发生的。

减少氧化物MO的总体反应_X对金属M（反应（1））可以通过反应（3）和（4）的形式提出：

莫_X+ xco = m + xco₂（（3）

公司₂+ c = 2co（4）

将金属氧化物减少到碳化物MC_y（反应2）可以通过反应（5）和（4）表示：

莫_X+（x + 2y）co = mc_y+（x+ y）CO₂（（5）

当碳热还原发生在含氢气气氛中时，甲烷是由碳与氢的反应形成的（反应（6））。它改变了还原的机理，然后通过反应进行（7）。

C + 2H₂= ch₄（（6）

莫_X+（x+ y）ch₄= mc_y+ xco + 2（x + y）h₂（（7）

在[7-14]中研究了含甲烷的气体减少锰，铬和氧化钛，而在[15-25]中检查了不同气体大气中稳定金属氧化物的碳热还原。

在反应（3）和（4）或（5）和（4）中，碳和氧气在CO和CO之间转移在实心相之间₂， 分别。在还原稳定的金属氧化物（如锰或钛氧化物）中₂部分压力非常低，低于10^-4ATM（受适用温度约束）；然后，传质可以成为反应速率的限制阶段。在反应（6）和（7）中，碳被转移到固体碳质材料之间，氧化物通过CH传递₄随着CO和H的形成₂将其转移到气相。CH的部分压₄远高于CO的部分压₂，这允许H中的锰和氧化锰的碳当₂- 以更快的速度发生气体。

当还原以金属或金属氧化物蒸气形成时，气相也起着重要的作用，如氧化铝的减少而言[25]。气体直接参与碳热反应。气相的组成影响反应速率。

我们在降低锰，钛和氧化铝的研究[15-25]，可以降低300-400^oC。

图1。在1275的不同气体气氛中减少锰氧化物MNO^oC

此外，已经表明，减少反应中气体气氛的控制是增射术技术发展的重要因素。

参考

1. Turkdogan，E。T.（1980）高温技术的物理化学，纽约学术出版社。
2. Lyakishev，N.P。和M.I. Gasik（2005）莫斯科，埃利兹（俄罗斯）的铁合金的物理化学和电子化学技术。
3. S.E. Olsen，M。Tangstad和T. Lindstad（2007）Trondheim的锰合金，Sintef和Tapir学术出版社的生产。
4. Ryss，M.A。（1985）莫斯科的铁合金生产，冶金学（俄罗斯）。
5. Schei，A.，Tuset，J。K.和Tveit，H。（1998）高硅合金的生产。Trondheim，Tapir。
6. Ostrovski，O。and Zhang，G。（2005）直接铁冶炼过程的能量和热分析，活力，30，2772-2783。
7. Zhang，G。和Ostrovski，O。（2000）通过甲烷 - 氢 - 阿尔贡气体混合物减少二氧化钛，冶金和材料交易B亚博网站下载，31b（2），129-139。
8. Zhang，G。和Ostrovski，O。（2001）通过含甲烷的气体减少伊米特浓缩物。第1部分的伊利米特组成，温度和气体成分的影响，加拿大冶金季刊，40（3），317-326。
9. Zhang，G。和Ostrovski，O。（2001）通过含甲烷的气体减少伊米特浓缩物。第2部分的预氧化和烧结的影响，加拿大冶金季刊，40（4），489-497。
10. Zhang，G。和Ostrovski，O。（2002）预氧化和烧结对伊米特浓缩物特性的影响，国际矿产加工杂志，64（4），201-218。
11. Anacleto，N。和Ostrovski，O。（2004）含甲烷的炉渣氧化铬的固态还原，冶金和材料交易B亚博网站下载，35B，609-619。
12. Anacleto，N.，Ostrovski，O。和Ganguly，S。（2004）通过含甲烷的气体减少锰氧化物的固态，ISIJ国际，44，1480-1487。
13. Anacleto，N.，Ostrovski，O。和Ganguly，S。（2004）通过含甲烷的气体降低锰矿，ISIJ国际，44，1615-1622。
14. Ostrovski，O。和Zhang，G。（2006）通过含有甲烷的气体减少和化学金属氧化物，AICHE杂志，52，300-310。
15. Kononov，R.，Ostrovski，O。和Ganguly，S。（2008）在不同气体大气中的锰氧化物的碳热还原，冶金和材料交易B亚博网站下载，39b，662-668。
16. Kononov R.，Ostrovski O.和Ganguly S.（2009）碳热固态减少锰矿石：1。锰矿石特征，ISIJ国际，49（8），1099-1106。
17. Kononov R.，Ostrovski O.和Ganguly S.（2009）碳热固态减少锰矿的降低：2。不同气体气氛中的非等热和等温降低，ISIJ国际，49（8），1107-1114。
18. Kononov R.，Ostrovski O.和Ganguly S.（2009）碳热固态减少锰矿：3。相位开发，ISIJ国际，49（8），1115-1122。
19. Dewan，M.，Zhang，G。和Ostrovski，O。（2009）在不同气体大气中的二氧化二氧冶金和材料交易B，亚博网站下载40b（1），62-69。
20. Dewan，M.A.R。，Zhang，G。和Ostrovski，O。（2010）在不同气体大气中的原代伊尔米特浓缩物的碳热还原，冶金和材料交易B亚博网站下载，41b（1），182-192
21. Dewan，M.A.R。，Zhang G.和Ostrovski，O。（2010年）iLmenite浓缩物和合成金红石的碳热还原的相发育，ISIJ国际，50（5），647-657。
22. 奥斯特罗夫斯基（O.和Li，J。（2010）碳热固态减少稳定的金属氧化物，国际钢铁研究，81（10），841-846。
23. Dewan，M.A.R。，Zhang G.和Ostrovski，O。（2011）在不同气体大气中的iilmenite浓缩物和合成金红石的碳热还原，矿物质加工和提取冶金，120（2），111-117。
24. Rezan，S。A.，Zhang，G。和Ostrovski，O。（2011）H中二氧化钛的碳热还原和硝化₂-n₂气体混合物，美国陶瓷学会杂志，2011年5月27日接受。
25. Li，J.，Zhang，G.，Liu，D。和Ostrovski，O。（2001）铝碳化铝的低温合成，isij int。，2011年3月22日接受。