固态氧化铝碳热还原反应机理研究

The carbothermal reduction of solid alumina is extensively involved in ceramic material synthesis and aluminum metallurgy; however, its mechanism has still not been uniformly interpreted due to a lack of systematically research. The carbothermal reduction of solid alumina generates metastable gaseous products containing Al, from which the deposits formed often adhere to residues, making it is easy to confuse the analysis results of them, which is an important factor resulting in different interpretations on the mechanism. The project will study alumina, alumina-carbon and alumina-carbon-reactive gas systems from simple to complex. The vacuum technology will be used to make gaseous products containing Al to leave from residues in order to separate deposits from residues so that the envolvement in phase, structure, and micromorphology of solid reactants and deposits will be detected accurately. MS and AAS will be used to analyze gaseous products containing Al, and DSC-TG will be used to scan thermogravimetric curves of the process. Accordingly, the behavoirs of solid reactants and gaseous products will be probed with the assist of thermodynamic analysis, and thereby clarifying the interaction mechanism between alumina and carbon, the formation process and behavoirs of the gases containing Al, and the formation process of the solid products containing Al, and ultimately deducing the mechanism of the carbothermal reduction of solid alumina systematically. The results will promote to understand the industrial processes based on the reaction.

固态氧化铝碳热还原反应在陶瓷材料、铝冶金等领域具有广泛应用，但其反应机理缺乏系统研究，至今未得到统一认识。固态氧化铝碳热还原生成不稳定含铝气体产物，该气体产物形成的沉积物往往与反应物残渣粘接在一起，造成残渣与沉积物的分析结果出现混淆，是导致机理解释产生分歧的重要原因。本课题拟从简单到复杂研究氧化铝、氧化铝-碳、氧化铝-碳-反应性气体体系，采用真空减压技术使含铝气体产物离开反应物，以达到沉积物与反应物残渣的分离，从而准确跟踪固态反应物和沉积物的物相、结构和形态的变化规律，并以质谱、原子吸收光谱探索含铝气体成分的形成规律，以热分析技术获得反应的热重变化特征，结合热力学分析探究固态反应物和气态产物的行为规律，从而确定固态氧化铝与碳的作用机制，明确含铝气体的形成过程和行为，明确固体产物的形成过程，最终系统阐明固态氧化铝的碳热还原反应机理。研究结果有望促进以该反应为基础的工艺过程的认识。

固态氧化铝碳热还原反应被应用于碳氧化铝、氮化铝、氮氧化铝等陶瓷材料的制备，也被尝试应用于金属铝的提取。但其反应机理在不同的应用领域具有不同的解释，甚至在同一应用领域也存在相互对立的观点。.本项目系统研究了不同气氛下固态氧化铝的碳热还原反应，得到了统一的机理解释：固态氧化铝高温热分解为含铝气体成分（铝、氧化亚铝）和氧气，碳的作用在于与氧气反应形成CO以降低氧分压，使分解反应可以在相对较低的温度下进行；随着温度的降低，含铝气体成分与CO反应形成主要由碳氧化铝、碳化铝、氧化铝和碳组成的冷凝/沉积物。在足够的三氯化铝的存在下，含铝气体成分可以发生氯化反应形成氯化亚铝；在足够的氮气的存在下，含铝气体成分可以发生氮化反应形成氮化铝。.在固态氧化铝碳热还原反应研究的基础上，提出了几个可能具有实际应用价值的工艺过程：.（1）证实了以碳氧化铝、碳化铝为原料进行氯化-歧化反应提取金属铝的可行性。据此，可以首先进行氧化铝的真空碳热还原反应，得到碳氧化铝、碳化铝为主的产物，再以该产物为原料进行氯化-歧化反应提取金属铝，该金属铝产品的纯度明显高于氧化铝直接碳热还原-氯化-歧化得到金属铝。.（2）证实了以碳氧化铝、碳化铝为原料进行氮化反应制备氮化铝的可行性。据此，提出以氧化铝为原料进行二段法制备氮化铝，首先进行氧化铝的真空碳热还原反应，生成以碳氧化铝、碳化铝为主的产物，再以该产物为原料进行氮化制备氮化铝，与氧化铝直接进行碳热还原-氮化过程相比，反应温度明显降低、反应时间明显缩短。.（3）以金属铝、氧化铝混合粉末为原料高温反应制备含铝气体的研究中，得到了一种铝-氧化铝复合粉末的制备方法，得到了一种铝包裹的片状交联结构的氧化铝的复合粉末的制备方法。.（4）在含铝气体与CO反应的研究中，得到了一种以氧化铝、铝混合粉末为原料通过气相反应制备碳氧化铝的新路径。