當前鋁工業生產普遍采用電解法。在電解法不斷被完善的同時,冶金工作者也一直在努力尋求新的鋁的生產方法^[1-4] 。人們很早就發現了低價金屬鋁的歧化反應現象,在歧化反應應用于鋁冶金的方面做了許多研究工作^[5-14] 。近年來,真空冶金的推廣使用促使歧化反應在鋁冶金中的應用再次被重視起來^{[15 - 19 ]} 。真空熱還原-鹵化-歧化反應煉鋁的研究取得了一定的成果^[17-19] 。幾種鋁的低價化合物中氯化物最有應用前景。氯化鋁升華點低,可以實現與鋁的分開冷凝,可能實現半連續作業。且以氯化鋁為氯化劑,可以實現循環作業,理論上氯化鋁在反應流程中可以反復使用。

　　氯化鋁作為一種反應物,其分壓是影響真空熱還原-鹵化-歧化反應的一個重要條件。因此,如何控制氯化鋁進入反應體系的速率也就成為一個必須要解決的問題。在影響氯化鋁升華速率的可能因素中,溫度是最為重要的一個條件。前人的文獻中僅見到Philipp Gross 明確指出三氯化鋁的升華溫度選擇為120℃^[5] ,真空技術網的另外位投稿作者王平艷在操作步驟中提到三氯化鋁升華溫度為183℃^[18] 。本文研究了在一定的其他條件下,溫度對氯化鋁升華速率的影響規律。

1、升華實驗

1.1、實驗設備

　　使用專門為研究真空碳熱還原-鹵化-歧化生產鋁的工藝特別設計的三段式加熱的真空實驗爐,如圖1 所示。使得氯化鋁揮發研究實驗條件與生產鋁工藝研究條件基本一致。

圖1 　真空爐示意圖

　　真空泵功率:0.25kW 　抽速:1L/s 　石墨管內徑:25mm

1.2、實驗原料

　　無水氯化鋁:為分析純化學試劑

1.3、實驗方法

　　把5g無水三氯化鋁加入到最下端的石墨筒中,抽真空至1Pa時,對最下端石墨件升溫至一定的溫度,保溫一定的時間,停止加熱,降溫至70℃左右,取出未升華揮發的無水三氯化鋁,稱重。

　　由于氯化鋁具有強烈的吸水性,附著在石墨件內壁的氯化鋁會吸收空氣中的水分,影響下次的實驗。下次實驗前需對石墨件在真空條件下升溫至300℃加熱處理,使吸水后的氯化鋁分解、石墨件上吸附的水分揮發。

2、實驗結果與討論

2.1、三氯化鋁在真空條件下的揮發規律

　　無水三氯化鋁在常壓下的升華溫度為183℃,真空條件下其升華溫度降低。我們計算了在不同的溫度下三氯化鋁的蒸汽壓如表1。

表1 　無水三氯化鋁在不同溫度下的蒸汽壓

　　當體系的真空度達到三氯化鋁的蒸汽壓時,開始升華。從表1 可見,溫度越低,蒸汽壓越低。所以真空度越高,開始升華的溫度越低。真空爐中,無水三氯化鋁在稍高于室溫條件后即開始升華,高于50℃后升華速度加快。我們在不同的溫度下進行實驗,所得結果如圖2所示。80℃保溫10min ,升華出去的氯化鋁為52 % ,130 ℃保溫10min ,升華出去的氯化鋁達68% ,180℃保溫10min,揮發量已接近80%。所以,在進行歧化法煉鋁的研究時,氯化鋁的升華溫度應保持在80 ℃左右,根據所需氯化鋁流量的大小適當提高或降低升華溫度。但不應該高于130℃、低于50℃。還應注意氯化鋁升華時,隨著時間的延長,升華速率降低。在130 ℃、180 ℃、220 ℃下延長升華時間為60min、120min 時都不能使三氯化鋁升華揮發完全,殘余三氯化鋁的質量都為0.5g。

圖2 　殘余物的質量隨升華時間的變化