一种真空硅热法炼锂新方法的探索性研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学材料与冶金学院 作者:狄跃忠

  随着金属Li 需求量的迅猛增加和真空技术的不断发展,真空金属热还原法是一种具有工业应用前景的炼锂方法。本文对常压下以氢氧化锂、氧化铝和氧化钙为原料合成Li5AlO4熟料以及以硅铁为还原剂真空热还原提取金属Li 进行了探索性实验研究。研究了不同煅烧条件对Li5AlO4合成的影响以及不同还原条件对硅热还原制取金属Li 过程的影响。结果表明: 常压下可以煅烧获得富锂熟料,其物相为Li5AlO4和CaO 以及少量的LiAlO2。采用该熟料在系统压强-5 Pa,还原温度1473 K,还原时间120 min,硅铁不过量的条件下,金属锂的还原率为98%,还原渣主要成分为2CaO·SiO2。该硅热法炼锂工艺可行,其料锂比为9. 9∶ 1。

  金属Li 及其化合物由于具有独特优良的物理、化学性质,被广泛地应用于航空航天、能源电池和核能发电等新兴技术领域,被称为“21 世纪的能源金属”。金属Li 的生产方法主要有熔盐电解法和真空热还原法两种。目前工业上仍然以熔盐电解法为主,全球90%以上的金属Li 采用该法生产。但其也具有明显的不足: 原料要求纯度高,生产过程有腐蚀性气体,锂产品中钾钠含量高等。特别是近年来随着金属Li 需求量的急剧增长,改进传统金属Li生产工艺和开发新工艺已经成为势之所趋。真空冶金由于具有过程清洁、环境友好等独特的优势,因此真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为在金属氧化物的还原、高熔点金属和合金材料的熔炼,铜浮渣、铅阳极泥等冶金过程副产物中有价金属的富集回收等有色金属材料生产方面得到日益广泛的应用。特别是真空硅热法炼镁已成为目前世界上炼镁的主要方法,为真空冶金能够应用于生产提供了实践基础和技术支持。

  真空热还原法炼锂由于具有流程短、产品纯度高和无氯气污染等特点,具有较好的应用前景。真空热法炼锂始于1894 年,瓦连以镁为还原剂获得了含镁50%左右的金属Li,开创了热法炼锂之先河。之后Kroll 等,Smeets 等,Stauffer 等分别以硅、铝、镁等还原氧化锂和锂辉石制得了较纯的金属Li。Fedorov 和Shamrai[16]研究了铝还原铝酸锂的问题。小林正夫设计了竖式、卧式两种真空还原炉进行了硅热炼锂实验。杨斌[18]、林智群[19]对碳化钙、铝和铝硅合金还原氧化锂和碳酸锂制取金属锂进行了研究。上述研究奠定了真空金属热还原法炼锂的基础。但是在上述的研究中,特别是在以锂辉石、碳酸锆为原料的硅热炼锂过程中,由于碳酸锂分解过程中需要加入超级过量的氧化钙,这样会导致整个过程的料锂比很高,生产效率偏低。针对该问题,本文提出以氢氧化锂、氧化铝和氧化钙为原料合成富锂的Li5AlO4熟料,然后以硅铁为还原剂进行真空还原的炼锂新工艺。旨在探索一种高效低料锂比的真空热法炼锂工艺。

  结论

  对以氢氧化锂、氧化钙和氧化铝为原料合成Li5AlO4熟料为原料,以75#硅铁为还原剂制取金属Li 的新工艺进行了探索性研究。在制团压力30MPa、煅烧温度1073 K、煅烧时间90 min 的条件下,烧损率为31%。煅烧产物主要由Li5AlO4和CaO 以及少量的LiAlO2组成。以该煅烧产物为原料进行真空硅热还原实验,金属Li 还原率随还原温度的升高和还原时间的延长而升高。在还原温度1473 K、时间120 min、硅铁不过量的条件下,金属Li 的还原率可以达到98%。还原渣的主要成分2CaO·SiO2,2CaO·Al2O3·SiO2,CaO 以及少量的LiAlO2。以氢氧化锂为原料的真空硅热法炼锂工艺可行。

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